土木工程结构的智能检测与检测系统

李马力

【摘 要】土木工程结构的智能检测与健康诊断系统是由传感元件和信号采集再经传输和处理以及健康诊断等部分组成的。本文对该系统引进的智能传感器、信息的融合以及对故障的诊断等影响工程结构的智能检测与诊断系统采取了探究和讨论。

【关键词】土木工程智能监测；诊断系统

一、土木工程智能监测与检测系统

（一）智能傳感元件

土木工程的健康监测就是利用性能稳定、耐久性好的传感元件，埋入或粘贴于结构中，对最能反映土木工程安全状况的参数进行监测，评价结构的安全性、耐久性，为维修、报废、报警决策提供可靠的依据。土木工程结构与设施往往处于较恶劣的环境中，要求传感器必需满足耐久性、稳定性、与结构相容性等，传统的传感器很难满足工程实际的需要。智能传感材料的出现，如光纤、压电材料、形状记忆合金、碳纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、半导体材料等，为土木工程长期智能监测打下了坚实的基础。

（二）信号智能处理

土木工程健康监测的结构参数较多，如应变、加速度、速度、位移、温度、旋转等，再则，大型结构的多自由度特性要求的监测布点尽可能多，从而就要求采用尽可能多的传感器，而且不同的参数测量采用的原理也大多不一样，尤其智能传感器的出现使得测量的信号差异很大。多传感器的使用会带来以下4个方面的问题：（1）多传感器形成了不同通道的信号；（2）同一信号形成了不同的特征信息；（3）不同的诊断途径和方法会得出有偏差的诊断结论；（4）来自多传感器的监测信息和诊断决策信息具有强烈的不确定性。如何综合利用来自多传感器的多源不确定性信息以提高确诊率成为土木工程健康监测系统亟需解决的问题。

（三）健康诊断与安全评定

健康诊断与安全评定可分为局部诊断与评定和整体诊断与评定两种。局部诊断与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，即通常的无损检测与无损评价，其技术已比较成熟，几乎涉及现代科学的每一分支，如射线检测、声与超声检测、电学与电磁检测、热力学与化学检测等，具体而言，如X射线法、超声回弹法、硬度测试法、涡流法、磁粉法、同位素法等。但是，这些方法的费用高，有些部位难以接近，对大型结构在事先无法预测损伤位置的情况下无法进行。正因为如此，人们设想能不能通过对结构整体特性，如动力特性和状态反应等的测量来诊断与评价损伤，实际证明这种方法是可行的[1]。整体诊断与评价是对结构的特性参数如频率、相位、振型、阻尼及状态量等进行测量，通过分析这些量的变化对结构进行诊断与评价。

二、目前需要解决的问题

（一）对智能的传感元件进行研究

参照所需要进行的监测量，来对智能材料各项性能进行改造，从而能够研究出一种耐久性好并且可以埋入或者附着的传感器。一些传感器的原件等智能材料在很多领域如航空航天和机械行业获得的成效相当显著。但是要将其引入到重大土木工程中就必须做一些工作，如耐久性的问题和相容问题等。

（二）对传感器的优化配置

因为结构的损伤模态本身具有的复杂性，所以对传感器优化布置进行研究的时候，就要全面并且经济的将结构信号提取出来。

（三）对参数的识别研究

虽然机械领域中对参数的识别已经相对成熟，然而在土木工程的识别中就有了瓶颈。在机械领域中，对参数进行测量通常较为恒定。因为土木工程的环境因素影响相对较大，甚至还存在某些非结构的构件如内墙和梯子以及存放物和周边的建筑物等发生了变化，则完全有可能导致结构的参数发生变化，进而致使监测得到的量发生变化，这必然会对智能检测和健康评估引进一些错误信息。

（四）利用专家系统进行研究

现今对土木工程结构的研究设计还只是停留在对构件的处理上，所以至今还没有一个统一起来的结构标准。这就说明了健康监测和对损伤进行定位和评价还没有具体的统一标准，且具有较强的个性。

（五）利用结构模型给予修正

现今结构建模以及对模型的修正还没能够较好的将损伤到结构中的静和动态的特点反映出来，所以利用此模块作为参考和设计参照标准时还需谨慎因为，它的可靠性程度还需要更深入地研究。

（六）利用相关领域范围内的高新技术

其它领域有许多技术应用已经相当的成熟，如果能将这些先进的技术类似于应力的波理论和声的发射技术应用到重大土木工程的研究去，则会取得比较好的研究成果。

三、目前亟需解决的问题

1.智能传感元件的研究。根据需要的监测量，改善智能材料的性能，研究耐久性好、可埋入或附着、大规模分布式的传感元件。虽然目前的所谓智能材料在航空、航天、机械等行业已取得较好的成效，但应用到土木工程还需做一些工作，如耐久性问题、相容问题、大应变问题等。

2.传感器优化布置。由于结构损伤模态的复杂性，研究传感器的优化布置，以便全面而经济地提取结构信号。

3.结构体系可靠度研究。结构体系可靠度研究尚处于初步阶段，对结构的安全状况定量地描述尚有一段距离，但它是安全评定的必需工具。

4.结构模型修正。结构建模与模型修正尚不能很好地反映损伤结构的静、动态特征，用它来作为参考、设计的标准的可靠性有待研究。

结 语

土术工程的结构在应用服役的过程中，必定会受到环境因素等多方面的影响，必定会导致损伤的累积，最终发生抗力的衰减。如果没能及时给予维修或者报废，这其中隐藏的隐患将难以预测，特别是重大土木工程结构。所以，我们必须要对结构的安全状况进行评价和评定，就要借助于智能检测与检测系统，获取结构的各种重要参数并推断其合理性以及对结构进行健康监钡帕勺意义重大因此，土木工程的智能检测系统在未来具有十分广阔的前景。

参考文献：

[1]Housner G W.Structure control：past，present and future[J].Journal of EngineeringMechanics，1997，123（9）：897-899.

[2]欧进萍，关新春.土木工程智能结构体系的研究与发展[J].地震工程与工程振动，1999，19（2）：21-28.