浅谈土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法

李晓明 （枣庄学院城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160）

0 引 言

近年来，我国对土木工程结构的性能监测系统的方法主要是利用传感器、信息处理和有限元及人工智能等技术。因为土木工程结构的性能监测系统能够为土木结构的性能提供很大信息，以便对其结构损伤进行及时修护，进而为土木结构的维护和管理决策提供可靠的信息。在我国，结构的性能监测技术在航天航空等领域早已取得了较大的成就。但是结构的性能检测在土木工程领域应用的比较晚，当然，土木工程结构的性能监测系统已经得到充分的重视和推广。

1 土木工程结构的损伤检测

土木工程的结构损伤识别主要是通过对结构的关键性能指标进行测试和分析，进而判断土木工程的结构是否受到损伤的过程。目前，土木工程结构的损伤识别主要包括以下四个层次:结构是否发生损伤；对损伤的定位；对结构损伤大小进行评价；对结构的剩余寿命进行估计。

1.1 局部检测方法

对土木工程结构的性能监测系统的方法之一就是局部检测法。局部检测法主要包括目测法、声发射法、射线法和超声波技术等。同时，局部检测法还需要预先知道结构损伤的位置，并且对检测仪器的要求也比较高，尤其是对于一些大型复杂的设备结构，局部检测法就无法检测出整体结构的损伤信息，这也是局部检测法的最大缺点之一。

1.2 整体检测方法

对土木工程结构的性能监测系统的方法还包括整体检测法。整体检测法是指利用损伤发生前后结构参数特性的改变进而诊断出结构损伤的方法。整体检测方法具体可以分为以下几种。

①动力指纹法。动力指纹法是指从动力测试中获取的含有结构特性的信息，主要通过分析与结构动力特性相关的动力指纹变化来判断结构的真实状况。

②模型修正法。模型修正法主要利用动力试验数据，进而通过条件优化约束，不断地修正结构模型的刚度分布情况，进一步得到结构刚度变化的信息，然后就能实现结构的损伤判别与定位。这种方法在处理子结构的损失方面具有很多优点。

③神经网络法。人工神经网络是指对人脑和自然神经系统进行的抽象和模拟。神经网络法是由大量处理单元相互联结组成，按照一定的连接而获取信息的联系模式。

④遗传算法。遗传算法主要是指从一组随机产生的初始解进行搜索，进而检测出整体损失的一种方法。因此，整体检测法是土木工程结构的性能监测系统的主要方法。

2 土木结构损伤识别中存在的主要问题

近年来，我国已经对土木工程结构性能检测的研究投入很大的资金，并且结构损伤的识别已经发展成为土木工程领域一个重要的研究方向。但是，由于我国的试验测试技术和现场条件的限制等，结构损伤识别技术的发展受到了很多方面的制约进而发展比较缓慢。

2.1 结构模型出现了误差

目前，人们对木工程结构中出现的损伤进行的预测都是在一定的基本条件下进行的，一般在规定的条件下，必须将客观的系统抽象为具有一定模型形式和参数的数学模型。当然，针对具体的土木工程结构系统，在进行模型化的过程中，由于系统的复杂性导致了很多随机性的出现。结构模型误差的产生主要是由于结构的复杂性，进而必须要将引入的结构链接和边界条件等进行一定的简化和假定等，这就导致结构模型不能准确地反映结构内部的一些细节问题，进而导致结构模型出现了很大的不完备性。当然，随着科学技术的不断进步，一些新的试验方法能够减少结构模型产生的误差，但是这种误差是不可能完全被消除的。随着新理论和新模型的出现，对土木结构的性能也能进行更加精确的检测，同时这也是通过结构识别方法而改进结构模型的主要目的。由于土木工程结构模型误差的存在，如果不对这些误差进行仔细地分析，就会进一步造成处理结构损伤识别的问题。因此，结构模型出现的误差是土木结构损伤识别中存在的主要问题之一。

2.2 实测数据的不完整性

土木结构损伤识别中存在的问题还包括实测数据的不完整性。由于很多土木结构损伤的识别方法假定结构模型具有相同的自由度和实测自由度，在实际结构中，再加上条件上的限制，就会造成实测数据的不完整性。实测数据的不完整性主要是由于结构测试传感器大多只能布置在一些有限的位置上，尤其是对于一些复杂的结构，传感器安装的就更加稀疏。同时，实测数据的不完整性还无法给结构损伤识别提供有用的信息，这种条件也在一定程度上加剧了识别问题产生。因此，实测数据的不完整性是土木结构损伤识别中存在的非常重要的问题。

2.3 实测数据的不精确性

在对实测的数据进行进一步的采集和处理的过程中，由于电子信号的随机误差存在，并且传感器由于质量问题也会带来一定的系统误差，进而造成信号处理或识别技术具有非常大的不精确，这些都被认为是实测数据的不精确性造成的误差。在对土木结构进行损伤识别的实际过程中，为了使实测自由度和模型自由度尽可能地匹配完整，一般都采用模型缩聚和模态扩展的方法，进而就会导致一些误差的出现，这同样也是实测数据不精确性造成的误差。数据误差的存在还可能会掩盖因结构特性改变而引起的结构改变，进而就会导致检测系统无法进行对损伤识别。当然，在对土木结构的损伤识别进行研究的过程中，有些因素是完全无法避免的，也是所有损伤识别方法无法消除的问题。因此，这些因素成为限制结构损伤识别进一步发展和应用的关键。目前，对于一些方法仍无法较好地解决实测数据不精确性的问题，我们应该进行更多的研究。

3 结 语

通过对土木工程结构的性能监测系统的结构和损失识别的方法进行研究。目前，仍很多问题需要进行具体的解决，尤其是对于土木结构模型出现的误差、实测数据的不完整性和实测数据的不精确性等，我们应该加强研究并解决这些问题。同时，我们还可以吸取其他结构监测领域内的先进方法，进而对土木结构性能检测系统进行更好的改造。因此，现阶段研究土木工程结构的性能监测系统与损伤识别的方法具有非常重大的现实意义。

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