土木工程结构健康检测系统的研究状况及进展

李 强

（长春市建设工程质量监督站，吉林 长春 130000）

前言

对于一些重大工程的土木结构，例如桥梁、水坝、电厂或军事设施、高层建筑等，在遭受一些自然灾害，例如地震、山洪、海啸、风暴或者一些人为的一些灾害时候，将会对人民的生命以及财产的安全造成严重的威胁。因此，这一问题逐渐引起很多人的关注。对于上述的土木结构在遭受自然或者人为损害之后，或多或少会有些损伤，因此对其立刻进行健康的检测是非常有必要性的。对于土木结构的建筑进行实时的检测，并且能够快速及时的发现以及土木结构内部发生损伤的具体位置以及损伤的程度，能够对结构性能的变化以及剩余的寿命进行预测，同时做出维护的方案。发生危险情况下，能够及时的疏散周围的居民。以上的种种做法对于保护人民的生命、财产的安全，以及极大提高土木工程机构的运营的效率有着非常重大的意义。因此、现在对于土木结构的健康检测的技术的研究成为国内外专家学者研究的重点课题。

1 健康检测的简述

对于结构的健康检测就是使用一些无线传感的技术，通过对于一些结构的响应对于内部结构的分析，这样能够达到检测到组织内部结构的损伤以及退化。

对于结构的健康检测的目的就是通过土木结构中的传感器网络用来实时的对结构进行检测，对结构对于环境的反映，从而提取出结构受到损伤以及老化等信息。这样可以对土木结构使用以及维护等工作作出参考，因此，进行必要的健康检测能够降低机构的维护费用，并且能够预测严重的事情发生，能够将各种损失降低到最低。

对于一个健康检测系统分为以下几个部分：

1.1 传感系统

一个传感系统由传感器，为此仪表以及可靠性很高的工程控制机器等组件组成，这可以将待测的物理量转变为电信号。

1.2 信号的采集以及处理系统

一般将信号的收集以及处理器安装到待测的结构之中，这样能够实现对于不同种类的信号源，以及不同的物理信号的采集以及信息的预处理。并且能够依据系统的功能要求对于数据进行分解、变化，从而获得需要的数据，然后采用一定的形式 的方式储存起来。

1.3 通信系统

将处理过的数据传输到监控中心。

1.4 监控中心和警报设施

利用其可以实现对于各种硬软件的各种功能进行诊断、分析。这些包括结构是否受到了损伤以及损伤发生的具体位置以及程度等。对于传感器来说，还能够对于检测到的信息，通过一定方式的采集与处理。将其传输到监控中心进行分析，然后判断损伤发生的位置，损伤发生的程度等，这样对结构的具体的健康状况进行评估，如果发生异常情况，进行警报。

2 损伤检测

结构损伤的识别就是通过对于结构中相关的关键的性能指标的测试以及分析，用来判断结构是否受到了损伤。如果结构受到损伤，那么结构损伤的位置、损伤的大小等对于判定结构是否能够继续使用以及剩下的使用寿命的估计提供了依据。

对于损伤的识别主要包括4个层次：结构是否发生了损伤；针对损伤大小进行评价；对损伤的具体位置进行定位；对结构剩余的寿命进行预计、估测。对于现在的结构损伤识别来讲，判断是否发生损伤的相关研究已经发展的非常成熟。针对有关定位以及识别大小方面的研究是核心也是难点。

结构损伤的检测技术按照检测的目标可以分为局部的检测，以及整体的检测两个类别。采用局部检测的方法可以依靠无损的检测技术，来对结构进行精确的检测，查找以及缺陷的描述。而整体检测的方式可以评价结构的整体状态，并且能够或者连续的评价结构的健康以及损伤存在的可能区域确定。在大型的土木结构工程中健康检测活动中经常综合局部法和整体法。

对于局部检测的方法有：染色法、回弹法、光干涉法、声音反射法、超声波技术等方法。对于局部检测的方法，首先要知道结构发生损伤的大概位置，并且要求检测仪器能够到达损伤的位置，然后对于大型的复杂结构，无法得出整体结构的损伤信息。

整体检测的方法分为动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法等。

动力指纹法就是通过分析与结构的特性相关的动力指纹的变化来判断结构的真实情况。其他的方法例如遗传算法，是一种基于自然遗传和自然选择机理寻优方法，其优点具有使用方便、性能强。

3 对于大型桥梁结构需要注意的一些情况

针对一些比较大型的桥梁结构需要做健康检测，需要研究的问题如下：

3.1 探究大型土木结构

使用一些振动测试的分析理论以及系统识别的理论技术，然后再结合上大型桥梁的自身结构特点，试验、探究出对于大型土木结构来说最为适用的模型修正的方法。

3.2 针对新兴传感器以及激振器的开发以及研制

对于新兴传感器的使用，使得原先没有自我检测能力的桥梁建筑获得了自我感知以及自我诊断毛病的能力。这其中相关的技术包括的有压电型的传感器，使用光纤传输的传感器，以及使用有关记忆合金的传感器还有那些小，微型的激振器等。

3.3 探究出一种适用于所有损伤的量化指标

在对于受损的桥梁进行检测以及诊断的时候，对于所有来源的信号或者是频率段，都要将信息进行处理之后，然后通过处理后的信息对于桥梁结构的损伤程度进行一系列的认定、判断。因此，应该设计出一些判定损伤的认定指标，对于桥梁结构的受到的损伤进行分级量化。

3.4 传感器的最优化的布置的技术

对于传感器的最优化的布置技术可以通过结构的模型试验以及在线的检测技术。

大型的土木结构存在很多的非线性的因素，从而使得遗传的算法以及神经网络在结构的检测以及诊断等方面具有相当良好的发展前途，对于小波分析来说，它对于刻画信号方面有局部放大的特征，被誉为“数字的显微镜”，这在数据的处理方面有着非常明显的优势。

[1]谢强，薛松涛.土木工程结构健康检测的研究状况与进展[J].中国科学基金，2001（10）.

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