土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

吴天俊

深圳中建院建筑科技有限公司，广东 深圳 518063

1 使用土木工程结构健康监测系统的必要性

国家社会建设离不开土木工程，在土木工程建设过程中如果发生事故，可能会对施工人员造成威胁以及对经济造成极大的损失，因此要对其结构的健康情况进行监测，防止结构出现问题，造成安全隐患的存在，威胁人们的生命安全。

具体结构存在问题的方面不仅包括人为因素引起的一些损害，还包括自然因素引起的一些损害，因此在社会的不断发展过程中需要对这些因素进行监测。最直接的监测方式就是对土木工程的结构进行监测，如果数据出现异常，则表示内部结构出现问题，施工人员应给予高度的重视，并对问题进行排查与解决，做到未雨绸缪，提前做好布防措施，将损失降到最低。这不仅有利于保障人们的生命安全，而且对企业的经济效益也有一定的保障作用。因此，在土木工程中应用健康监测系统十分必要。

应用该监测系统主要是将结构信息传输到计算机系统内，判断是否出现异常数据，如果出现异常数据，计算机会及时警报，提醒施工人员注意。如果问题较严重，则应立即停止施工，派专业人员检查，防止问题进一步扩大而造成事故的发生。因此，在具体的监测系统使用过程中，应实时关注异常数据，并对整个监测系统的运行情况进行控制，防止系统运行出现故障，避免无法对问题进行及时上报而导致其他系统无法正常工作。

2 土木工程结构健康监测系统构成及原理

（1）构成。工程结构健康检测系统是一种无损检测系统，通过对结构等建筑特性的分析，并对整体工程进行检测，找到其中退化劳损的部分。该系统主要利用传感器技术对工程结构进行特性分析，检验工程结构上可能存在的损伤或故障，并且利用该系统可以提高土木工程结构建设质量，同时可以对其质量进行细节处的修补，使其质量水平进一步提升，发挥土木工程结构的实际作用。合理的健康监测系统可以结合多个技术进行综合应用，例如，将传感器系统、信号转换系统以及计算机数据传输系统这些分散的系统通过终端连接起来，利用计算机的数据分析能力分析传感器系统所获取的信息；利用信号转换系统将传感器系统获取的信号转化为数字信号传输到计算机终端进行分析；利用数据传输系统保证数据传输的真实性和有效性。根据计算机终端分析的结果做出相关反应，并对各个系统进行组装，实现自动化一体化建设，使计算机终端可以直接控制机械系统进行工作，并对问题进行排查，减少人工操作的失误，这对整个系统的安全评估和实用性也有着充分的保障作用，可以使土木工程结构健康监测系统顺利完成工作，并且对生产安全也有一定的保障效果。

（2）原理。该系统的具体工作原理主要是通过数据测量系统对工程结构的状况进行监测，并分析可能引发故障发生的诱因，判断结构的损伤程度，进一步测量损伤部位，派出人员进行维修。识别和安全评估方面是该系统的工作重点，在损伤识别方面主要根据来源进行分析，判断是人为因素还是自然因素。人为造成的损伤可能是人为操作不当或设备使用不当而造成的结构损伤；在自然因素方面，地震、山体滑坡等多种自然灾害而造成的外来损伤在施工阶段没有发现，但经过长期的施工时间的沉淀，损伤进一步扩大可能会导致事故的发生，因此在其损伤初期就要进行实时监测以获得结构数据的异常变化，并根据异常变化找到具体的位置进行修补，这样可以减少土木工程的安全隐患。在安全性评估方面是通过监测系统对结构安全性进行评估，利用各种测试方式来对安全状态进行测试，并根据测试结果得出具体的数据来评估，因此其评估是具有数据基础的，并且可以根据等级划分确定工程结构。在其安全性方面不仅有评估作用，而且具有可靠性，可以进一步提高工程建设的稳定性，利用一体化建设来达到机械修筑和巩固建设的目的，使建筑的安全性进一步提升。在具体的土木工程建设中，可以以某地桥梁建设为例，在桥梁建设时检测其桥梁下部的荷载，防止其荷载无法达到要求而导致桥梁基础不稳。此外，还要分析局部应力状况，确保能够得到精确的应力分析结果，并建立监测传感器，对应力情况进行实时监控，以动态与静态相结合的多角度观察方式准确地对数据进行测量。

3 土木工程结构健康监测系统诊断方法与优化设计

（1）诊断方法。研究土木工程结构健康监测系统的具体诊断方法，可以判断是否存在问题，明确优化方向。诊断方法是利用固有频率变化损伤诊断方法，例如在某地的工程建设中，利用传感器对土木结构进行实时监测，并对土木结构的频率变化进行数据回收，如果频率变化出现问题，表明该地区土木结构存在异常状况，需要对其进行深入分析，并且通过多种频率的不断刺激可获得相关数据，如果比较分析的结果差异较大，证明该地区的土木工程结构存在损伤状况，需要对其进行维修以保障土木工程的正常质量。此外，还可以利用振型变化来诊断损伤，结合曲率法和图形法进行综合运用。一般在损伤的土木结构中，其刚性会下降，故振型曲率会进一步增大，因此在检测过程中可以利用传感器系统对其振型曲率进行数据回收，如果振型曲率出现明显增大的现象，表明该处土木结构出现了损伤。另外，还可以利用变化图形法，根据振型变化图确定损伤的位置，找到其变化的位置，并针对该位置进行修补，这样可以达到高效修复损伤的效果。

（2）优化设计。在具体的优化设计方面，需要合理布置传感器位置，可以利用BIM 技术固定传感器位置。在某处工地建设中，引进了BIM 技术，在设计时设计师可以利用BIM 技术对每个可以安装传感器的位置进行模拟，根据动态变化对其监测效果进行分析，保留监测效果良好的位置，去除监测效果不佳的位置，以此给出完善的设计方案，同时，使传感器布置更加优化，感受更加灵敏、更加丰富，所获取的信息更加准确，方便工作人员获取准确的数据用于数据分析，在土木工程建设中可以给出明确的指导意义，防止结构出现问题而造成极大的损失。

4 土木工程结构健康监测系统未来发展

目前土木工程建设发展前景较为广阔，为了提升土木工程的具体工作效能，要从其特性方面进行发展，提高土木工程的结构质量，同时提高建设效率与质量，这样才能够满足目前城市化不断发展的需求。在结构健康监测系统方面，要增加对土木工程具体形态的监测系统数量，以保证在建设之前就可以得到准确的模型建设，并对具体的质量问题进行提前标注，减少其内部存在的结构问题。同时，要加强监测系统的耐久性和实用性，主要是提升监测系统的能源供应以及能源消耗方面，以保证充足的能源供应，利用可持续发展能源，提高能源利用率，在监测方面可以达到长久的使用效果。明确监测意义，找到具体的监测目标，并根据目标制订监测方案，如果对全局信息进行监测，则会导致大量的资源浪费在无用信息上，而无法真正发挥专有目标监测效果，可能会由于疏忽而导致部分数据出现异常而未被发现，最终造成损失。加强各种技术的结合运用，以保障技术使用的稳定性和实用性，由于各技术发展已较为成熟，因此在使用过程中配合起来更加默契化，同时利用成熟的技术带动其他技术的发展，也为技术的融合提供了可能。技术的融合有利于技术自身的不断发展和创新，使技术的发展方向更加明确，使技术的使用效果更加良好。因此，在监测时要加强现代化技术、数字化技术、信息化技术等多方面技术的综合使用，能对系统的建设起到一定的帮助作用，使其系统建设得更加完善化，并且使数据的计算更加高效，可以明确给出数据分析结果，以保障建设施工不会出现偏离。

5 结束语

综上所述，在土木工程结构建设过程中，需要监测系统对其进行纠正，如果缺少监测系统，则可能造成重大的经济损失和出现质量不过关的情况。监测系统能够建设合理的监测系统，通过监测系统的具体职能、特殊工作性能进行优化，使监测系统的监测工作更加完善，可以在土木工程中发挥更大的作用，以保障其结构的质量。同时，利用监测系统有利于促进土木工程在我国市场经济中的进一步发展，产生更多的经济效益。