概述
結構發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結構參數(shù)如質量、剛度和阻尼的變 化, 進而導致結構自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價?；诙鄬W科交叉的SHM 將是更加先進的技術, 除了要有深厚的結構知識外, 還需要了解其他相關學科知識, 只有結構振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學等相結合, 才有可能提高結構損傷檢測的準確性。
工程結構自建成后, 隨著服役時間的增長, 不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災害等的作用, 若沒有適當?shù)木S護, 將使十木工程基礎設施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我國廣東省九江大橋和美國當?shù)貢r間2007 年8 月1 日明尼蘇達州位于密西西比河上的高速公路135W 橋的坍塌, 造成了很大的生命財產損失, 對工程界產生了極大的震動, 也使人們對很多工程結構的安全產生了疑問。實現(xiàn)對土木工程基礎設施的損傷檢測和識別過程稱為結構健康監(jiān)( Structural Health Monitoring, 簡寫為SHM) 。SHM 過程包括從傳感器陣列獲得周期性采樣的動力響應觀測過程, 從采樣數(shù)據提取損傷敏感特性并對這些特性進行統(tǒng)計分析, 然后用于判定當前結構系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
1 .結構損傷檢測和識別技術
結構發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結構參數(shù)如質量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結構自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價。宗周紅等[ 3] 從損傷診斷、系統(tǒng)識別和模型修正以及傳感器布置幾個方面對土木工程結構損傷研究進展進行了綜述; Rytter[4] 在其博士論文中將損傷識別分為四個遞進層次; 第一層次確定結構中是否存在損傷; 第二層次在第一層次的基礎上確定損傷的幾何位置; 第三層次在第二層次基礎上對損傷的嚴重程度進行量化; 第四層次在第三層次基礎上預測結構的剩余使用壽命。Farrar 和Worden[5] 將損傷識別分成5 個過程, 包括SHM, 條件監(jiān)測, 無損檢測評估, 統(tǒng)計過程控制和損傷預測。Giraldo[6] 在其博士論文中則將損傷檢測與識別分成三種類型: 基于振動的方法、基于靜力的方法以及結構的直接檢測方法。由于結構健康監(jiān)測多學科交叉的特性, 使得嚴格分類很困難也不科學, 這里采用Ph. D. dissertat ion 的分類方法進行闡述。分為：①基于結構振動損傷檢測和識別②基于靜力的損傷檢測與識別③ 結構損傷的直接檢測方法
2. 智能傳感技術及其應用
對大型復雜結構進行監(jiān)測和損傷檢測并提供實時安全可靠的結構信息, 需要布置大量密集的傳感器。因為導線的高成本和在大型結構中安裝與維護的困難, 使得傳統(tǒng)導線傳感器將不適于這樣的情況; 使用無線傳感器網絡同樣困難,因為海量監(jiān)測數(shù)據必須傳輸?shù)街醒牍ぷ髡炯刑幚? 數(shù)據存儲負擔重, 而無線傳感器很難滿足傳輸這些數(shù)據的帶寬和電源需求。近來快速發(fā)展的智能傳感器技術使得使用密集陣列傳感器的損傷監(jiān)測成為可能[50- 54] 。具有嵌入式微處理器的智能傳感器和無線通信技術在土木基礎設施的監(jiān)測、控制和維護中具有很大的潛力。智能傳感器的基本特點是板載微處理器, 用于數(shù)據處理、模/ 數(shù)或頻碼轉換、計算并且有可實現(xiàn)自診斷、自識別或自適應精度選擇的接口函數(shù), 還可以決定何時和多長時間進行當機存儲數(shù)據和控制以及喚醒以便節(jié)約功耗。板載微處理器允許傳感器決策、運算、數(shù)據存儲本地化, 通過在傳感器水平的部分運算, 僅傳輸必須的有限信息到中央工作站, 大大節(jié)約存儲和傳輸帶寬需求。
3．實時監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵問題
通過對已有的結構損傷檢測和識別方法以及相關文獻的回顧可以知道, 不論采用什么方法, 結構損傷檢測的內容和終目的是相同的, 即首先確定結構是否存在損傷, 就目前已有的方法和技術而言, 這是相對比較容易實現(xiàn)的; 第二步是對損傷進行定位; 然后是損傷類型判別和損傷程度估計; 后對結構進行健康狀態(tài)評估和安全性預測。對于大型、復雜結構的結構監(jiān)測系統(tǒng), 如果從規(guī)劃階段, 將SHM 和結構設計過程整體考慮, 這樣SHM 系統(tǒng)將會更有效。對于現(xiàn)有結構的SHM 系統(tǒng)改造也有一些機遇, 這一方面還要進行更多的工作。
4. 結論與展望
工業(yè)化國家已經投入了大量資金用于土木基礎結構的發(fā)展, 為了保持這些投資價值, 必須注意適當?shù)木S護, SHM 已經作為一種支持這一工作的工具而出現(xiàn)了。盡管已經發(fā)展了很多基于結構振動響應和系統(tǒng)動力參數(shù)的損傷檢測方法,但由于結構損傷的復雜性和各種影響因素的不確定性, 這些方法的實際應用還存在很多困難 。基于多學科交叉的SHM 將是更加先進的技術, 除了要有深厚的結構知識外, 還需要了解其他相關學科知識, 只有結構振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學等相結合, 才有可能提高結構損傷檢測的準確性。從以上對SHM 和結構損傷檢測的新文獻分析和總結可知, 目前亟待解決的課題還有很多, 需要我們持續(xù)不斷地研究和實踐。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司是一家基于物聯(lián)網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監(jiān)測與預警管理的高新技術企業(yè)，聚華是專業(yè)的光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監(jiān)測相關產品的研發(fā)、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產品、工程結構安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領域數(shù)據分析為技術核心。www.k169.net
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工程結構自建成后, 隨著服役時間的增長, 不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災害等的作用, 若沒有適當?shù)木S護, 將使十木工程基礎設施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我國廣東省九江大橋和美國當?shù)貢r間2007 年8 月1 日明尼蘇達州位于密西西比河上的高速公路135W 橋的坍塌, 造成了很大的生命財產損失, 對工程界產生了極大的震動, 也使人們對很多工程結構的安全產生了疑問。實現(xiàn)對土木工程基礎設施的損傷檢測和識別過程稱為結構健康監(jiān)( Structural Health Monitoring, 簡寫為SHM) 。SHM 過程包括從傳感器陣列獲得周期性采樣的動力響應觀測過程, 從采樣數(shù)據提取損傷敏感特性并對這些特性進行統(tǒng)計分析, 然后用于判定當前結構系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
1 .結構損傷檢測和識別技術
結構發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結構參數(shù)如質量、剛度和阻尼的變化, 進而導致結構自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價。宗周紅等[ 3] 從損傷診斷、系統(tǒng)識別和模型修正以及傳感器布置幾個方面對土木工程結構損傷研究進展進行了綜述; Rytter[4] 在其博士論文中將損傷識別分為四個遞進層次; 第一層次確定結構中是否存在損傷; 第二層次在第一層次的基礎上確定損傷的幾何位置; 第三層次在第二層次基礎上對損傷的嚴重程度進行量化; 第四層次在第三層次基礎上預測結構的剩余使用壽命。Farrar 和Worden[5] 將損傷識別分成5 個過程, 包括SHM, 條件監(jiān)測, 無損檢測評估, 統(tǒng)計過程控制和損傷預測。Giraldo[6] 在其博士論文中則將損傷檢測與識別分成三種類型: 基于振動的方法、基于靜力的方法以及結構的直接檢測方法。由于結構健康監(jiān)測多學科交叉的特性, 使得嚴格分類很困難也不科學, 這里采用Ph. D. dissertat ion 的分類方法進行闡述。分為：①基于結構振動損傷檢測和識別②基于靜力的損傷檢測與識別③ 結構損傷的直接檢測方法
2. 智能傳感技術及其應用
對大型復雜結構進行監(jiān)測和損傷檢測并提供實時安全可靠的結構信息, 需要布置大量密集的傳感器。因為導線的高成本和在大型結構中安裝與維護的困難, 使得傳統(tǒng)導線傳感器將不適于這樣的情況; 使用無線傳感器網絡同樣困難,因為海量監(jiān)測數(shù)據必須傳輸?shù)街醒牍ぷ髡炯刑幚? 數(shù)據存儲負擔重, 而無線傳感器很難滿足傳輸這些數(shù)據的帶寬和電源需求。近來快速發(fā)展的智能傳感器技術使得使用密集陣列傳感器的損傷監(jiān)測成為可能[50- 54] 。具有嵌入式微處理器的智能傳感器和無線通信技術在土木基礎設施的監(jiān)測、控制和維護中具有很大的潛力。智能傳感器的基本特點是板載微處理器, 用于數(shù)據處理、模/ 數(shù)或頻碼轉換、計算并且有可實現(xiàn)自診斷、自識別或自適應精度選擇的接口函數(shù), 還可以決定何時和多長時間進行當機存儲數(shù)據和控制以及喚醒以便節(jié)約功耗。板載微處理器允許傳感器決策、運算、數(shù)據存儲本地化, 通過在傳感器水平的部分運算, 僅傳輸必須的有限信息到中央工作站, 大大節(jié)約存儲和傳輸帶寬需求。
3．實時監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵問題
通過對已有的結構損傷檢測和識別方法以及相關文獻的回顧可以知道, 不論采用什么方法, 結構損傷檢測的內容和終目的是相同的, 即首先確定結構是否存在損傷, 就目前已有的方法和技術而言, 這是相對比較容易實現(xiàn)的; 第二步是對損傷進行定位; 然后是損傷類型判別和損傷程度估計; 后對結構進行健康狀態(tài)評估和安全性預測。對于大型、復雜結構的結構監(jiān)測系統(tǒng), 如果從規(guī)劃階段, 將SHM 和結構設計過程整體考慮, 這樣SHM 系統(tǒng)將會更有效。對于現(xiàn)有結構的SHM 系統(tǒng)改造也有一些機遇, 這一方面還要進行更多的工作。
4. 結論與展望
工業(yè)化國家已經投入了大量資金用于土木基礎結構的發(fā)展, 為了保持這些投資價值, 必須注意適當?shù)木S護, SHM 已經作為一種支持這一工作的工具而出現(xiàn)了。盡管已經發(fā)展了很多基于結構振動響應和系統(tǒng)動力參數(shù)的損傷檢測方法,但由于結構損傷的復雜性和各種影響因素的不確定性, 這些方法的實際應用還存在很多困難 。基于多學科交叉的SHM 將是更加先進的技術, 除了要有深厚的結構知識外, 還需要了解其他相關學科知識, 只有結構振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學等相結合, 才有可能提高結構損傷檢測的準確性。從以上對SHM 和結構損傷檢測的新文獻分析和總結可知, 目前亟待解決的課題還有很多, 需要我們持續(xù)不斷地研究和實踐。
關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司是一家基于物聯(lián)網光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監(jiān)測與預警管理的高新技術企業(yè)，聚華是專業(yè)的光纖光柵傳感器產品提供商和土木工程結構健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監(jiān)測相關產品的研發(fā)、生產、推廣與應用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產品、工程結構安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領域數(shù)據分析為技術核心。www.k169.net