土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

李 文

中石化新星双良地热能热电有限公司 山西 太原 030000

最近几年，整个社会关心的重要话题就是土木工程健康问题导致的事故频发，给人民的财产和人身安全带来了巨大的影响。随着经济发展，人们生活水平不断提高，机动车的数量也不断增加，由于道路桥梁等设施建造年代已久，给人们的安全带来了巨大的隐患，因此，土木工程结构健康检测系统的发展是重中之重。

1 土木工程结构健康检测系统概述

建筑结构健康监测系统是基于现代土木工程的发展而提出；土木工程结构健康检测系统具有实时性、动态和连续等特点。该系统能够及时地对建筑物进行日常状态检测，为管理者提供准确可靠数据。目前我国国内对于工程项目建设中使用到了大量测量仪器设备以及相关技术手段来实现对建筑工程质量水平及安全性方面的控制与管理；在建筑施工过程中采用先进科学方法提高工作效率及水平，确保建筑工程项目的经济性、实用性和稳定性等性能指标都得到有效提升。在实际工程建设中，为了确保建筑项目质量，需要对测量仪器设备、检测技术等方面进行全面的改进和完善。

2 开展土木工程结构健康监测的重要意义

土木工程结构的健康监测是确保工程质量、安全施工和降低成本投入等方面最有效的手段，提高了我国经济效益，为社会提供更多的物质与精神财富。随着科技水平发展以及人们生活水准提升，现代社会对建筑工程提出更高要求，因此需要不断创新新技术来满足现代化建筑需求并实现智能化管理。在当今阶段土木工程建设中加入了大量新兴信息技术手段来进行数据信息处理和传递工作是大势所趋也是必然趋势，随着信息技术的发展，大数据时代也随之到来，其中就包括了对土木工程结构健康监测系统研究。

3 现阶段土木工程结构健康监测的发展状况

随着科学技术的发展，土木工程结构在不断地更新和完善，这就使得传统的监测方法已经不能满足现代社会对建筑安全以及经济效益最大化要求。为了适应时代潮流与技术进步下土木工程建设需求，必须采用先进手段、现代化设备等进行科学有效且高效地分析。近些年来我国科研人员也开始研究更加智能化测量仪器来代替人工操作测量工具并取得了一定成效；随着计算机和网络通信技术的发展及应用，使得土木工程结构健康监测系统在建筑结构中得到广泛应用。

4 土木工程结构健康监测系统的研究现状

4.1 土木工程结构健康监测系统的理论依据

目前，我国的工程结构健康监测系统还没有统一标准，这也是导致不同地区之间信息无法实现共享。由于各区域发展不平衡、经济水平差异等原因造成了数据的缺乏一致性问题；另一方面在同一个项目上进行检测时存在着一定程度上重复性。因此为了解决这个难题就需要建立一个统一规范且高效运行机制，保证各个部门间协调合作以及有效监控整个工程结构健康监测系统，以达到降低成本提高效益并及时掌握和了解实际情况变化。随着时代的发展，人们对生活质量要求越来越高，而随之而来的是对建筑工程中所使用材料提出了更高的标准。因此为了满足社会需求和建筑行业水平不断提高，在土木工程结构设计时必须根据实际情况进行合理选择与分析研究以达到最佳性能指标；同时也要注重经济性、安全性及环保性等方面考虑到其是否符合国家政策法规；还需要考虑施工过程当中可能会出现的各种意外状况，以便及时对这些突发事件作出处理并采取相应措施来降低损失。

4.2 土木工程结构健康检测系统的组成

4.2.1 传感系统

传感系统是一种通过传感器采集外界信息的装置，也称为监测和控制设备。传感系统主要由被测量物体直接产生电信号并进行处理后再传输到计算机中进行数据分析、存储及显示等工作。在土木工程结构中使用了多点式传感技术与单片机相结合的方法来完成对建筑环境温度变化以及湿度情况检测，以实现对现场建筑环境温度实时监控的目的；通过将传感器采集到的外部信息转换成数字量输入设备内部系统内，对数据进行分析处理，并通过计算机系统将其显示在控制系统中，以达到实时监测、监控建筑结构环境的目的。随着现代信息技术和自动化技术的发展与应用，通过研究土木工程结构健康检测方法及手段来实现对环境温度变化以及温湿度情况及时有效地控制；从而为提高建筑工程质量提供重要依据。

4.2.2 数据采集与处理系统

数据采集与处理系统是指对各种仪器设备、传感器进行实时测量，并将其输出到计算机中。在土木工程结构监测技术的研究过程中，需要不断完善相关的检测方法和标准规范体系。随着科学技术水平发展迅速以及人们生活条件改善等因素导致了许多新材料、新工艺以及新型产品应用快速发展；同时由于工程环境复杂多变及施工要求高程度地促进了对这些领域进行深入探索与研究，从而使数据采集与处理系统变得更加智能化和自动化。数据采集与处理系统对收集到的信息进行分析、综合和判断，并将其存储在计算机中。数据采集预处理系统具有实时性，可重复性以及准确性。数据采集及处理系统主要包括：传感器检测模块、单片机控制模块和信号放大电路等组成；该部分为监测仪器提供了一个标准的测量参数范围值（或频率）；同时还可以通过键盘输入设定好的参数或报警阈值来达到对仪器进行操作的目的，并实现人与机器之间远程交互式监控。

4.2.3 损伤识别和安全评估系统

数据采集与处理系统的主要目的是为了检测和分析建筑结构中各个部件之间的相互作用，以实现对构件进行有效控制，以便达到预期目标。数据采集及处理系统包括了传感器、控制器等设备。通过收集到信息并加以整理分类后再传送到计算机上；然后将这些信号转化成电化学测量仪器或直接用于工业生产和科学研究过程中使用的各种装置以及参数值；最后把这些信息转换为数字化显示出来供人们参考利用，以满足用户对建筑结构健康监测与分析需要。目前常用到的是ADAMS软件。ADAMS软件具有快速、准确等特点。在建筑行业中使用最多也最普遍采用了AD软件和PCB板技术实现信息收集与处理工作；此外还有基于嵌入式计算机或基于网络通信技术建立起来一个虚拟数据采集系统（DSP）和计算机数据中心，并通过这些设备将其传送到电脑内的数据库里进行分析与计算，从而实现对结构的实时监测、分析和控制。

5 土木工程结构健康监测系统的应用

结构健康监测系统是一种基于计算机技术的、综合利用传感器和信号处理等相关手段，进行数据采集与分析，对土木工程中环境变化及状态信息进行检测、监控以及反馈并做出相应反应的系统。随着科技水平不断提高，近年来在结构测量精度方面得到了很大提升，由于建筑行业具有高危险性因素多导致其施工难度大且复杂程度较高等特点使得工程建设过程中有许多不确定性问题存在于建筑工程项目之中；而传感器技术和数据采集技术也为土木工程中的安全监测提供一定保障，使得其在土木工程项目中的应用更加广泛。结构健康监测系统设计成功后，根据使用阶段发生的问题改善内部程序，达到更理想化的运行使用标准。结构检测系统的应用需要明确的对象，根据常见的问题研究解决方案，在运行中的系统中发现反馈参数存在不合理的现象时，可以首先寻求解决方案，进而更加深入地解决程序混乱的问题。在今后土木工程结构健康监测系统的发展过程中，特别注意量化问题对结构损伤程度，采用有效的方法和损伤量化指标，加强对非线性数据的处理效果，提高信息收集效果。

6 未来土木工程结构健康监测系统的发展展望

随着时代的发展，土木工程建设规模不断扩大，建筑领域也逐渐朝着高层化和大型化为目标。在这其中结构健康监测技术是一个重要课题。目前我国工程建造中使用最多的是监测与分析等方法，但是由于受人为因素、自然环境影响以及施工环境变化等诸多不确定性因素的制约，导致了这些测量结果往往不能准确地反映实际情况；同时由于传统测量手段无法满足对土木工程建设过程进行实时跟踪，因此造成了大量数据浪费和损失的后果，严重限制着建筑业发展速度。近些年来，建筑领域仍然属于新兴技术，由于土木工程建筑的建造年代已久，土木工程建筑结构破坏得越来越多，因此，土木工程结构健康监测系统拥有着十分广阔的发展前景。今后结构健康监测系统的发展应注意以下几个方向。首先是信息处理技术的研究。对于土木工程的健康监测来说，信息处理有特别的意义，只进行监测，不能合理处理监测信息，监测信息将会变得无效。近年来，发展较为迅速也就较成熟的是小波分析技术，小波分析技术可以识别正常信号中夹带的瞬时异常反应现象，并且在结构健康监测领域中起着重要的作用。其次重要的是传感器的优化配置技术。对于土木工程的健康监测，无论使用什么方法传感器都是不可缺少的。传感器的配置需要优化，研究设置几个传感器，分别研究设置在哪个位置监视最有效。具体而言，传感器的配置必须符合以下条件，控制成本，使得传感器设置费用尽可能较少；消除噪音等外部的干扰，使得到的数据更加科学。对于没有损伤，但是出现的疲劳状况的土木工程建筑也应当能够检测出，对可能损伤的威胁进行合理的评估。目前传感器的应用和优化配置广泛应用于航空航天领域，土木工程的领域还不成熟。因此要充分参考在航空航天飞行中传感器的应用，开发出可以在土木工程健康监测系统的最佳配置方案和技术。

7 总结

随着社会的进步，人们对生活质量要求不断提高，因此，建筑行业在满足人民需求基础上必须要有更多的新技术、新型材料以及更为先进合理高效的施工设备，对我国土木工程结构健康检测系统的发展起到积极作用。