概述
結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量、剛度和阻尼的變 化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據(jù)這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價?；诙鄬W(xué)科交叉的SHM 將是更加先進(jìn)的技術(shù), 除了要有深厚的結(jié)構(gòu)知識外, 還需要了解其他相關(guān)學(xué)科知識, 只有結(jié)構(gòu)振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學(xué)等相結(jié)合, 才有可能提高結(jié)構(gòu)損傷檢測的準(zhǔn)確性。
工程結(jié)構(gòu)自建成后, 隨著服役時間的增長, 不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災(zāi)害等的作用, 若沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù), 將使十木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我國廣東省九江大橋和美國當(dāng)?shù)貢r間2007 年8 月1 日明尼蘇達(dá)州位于密西西比河上的高速公路135W 橋的坍塌, 造成了很大的生命財產(chǎn)損失, 對工程界產(chǎn)生了極大的震動, 也使人們對很多工程結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生了疑問。實現(xiàn)對土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的損傷檢測和識別過程稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)( Structural Health Monitoring, 簡寫為SHM) 。SHM 過程包括從傳感器陣列獲得周期性采樣的動力響應(yīng)觀測過程, 從采樣數(shù)據(jù)提取損傷敏感特性并對這些特性進(jìn)行統(tǒng)計分析, 然后用于判定當(dāng)前結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
1 .結(jié)構(gòu)損傷檢測和識別技術(shù)
結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據(jù)這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價。宗周紅等[ 3] 從損傷診斷、系統(tǒng)識別和模型修正以及傳感器布置幾個方面對土木工程結(jié)構(gòu)損傷研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述; Rytter[4] 在其博士論文中將損傷識別分為四個遞進(jìn)層次; 第一層次確定結(jié)構(gòu)中是否存在損傷; 第二層次在第一層次的基礎(chǔ)上確定損傷的幾何位置; 第三層次在第二層次基礎(chǔ)上對損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化; 第四層次在第三層次基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。Farrar 和Worden[5] 將損傷識別分成5 個過程, 包括SHM, 條件監(jiān)測, 無損檢測評估, 統(tǒng)計過程控制和損傷預(yù)測。Giraldo[6] 在其博士論文中則將損傷檢測與識別分成三種類型: 基于振動的方法、基于靜力的方法以及結(jié)構(gòu)的直接檢測方法。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測多學(xué)科交叉的特性, 使得嚴(yán)格分類很困難也不科學(xué), 這里采用Ph. D. dissertat ion 的分類方法進(jìn)行闡述。分為：①基于結(jié)構(gòu)振動損傷檢測和識別②基于靜力的損傷檢測與識別③ 結(jié)構(gòu)損傷的直接檢測方法
2. 智能傳感技術(shù)及其應(yīng)用
對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和損傷檢測并提供實時安全可靠的結(jié)構(gòu)信息, 需要布置大量密集的傳感器。因為導(dǎo)線的高成本和在大型結(jié)構(gòu)中安裝與維護(hù)的困難, 使得傳統(tǒng)導(dǎo)線傳感器將不適于這樣的情況; 使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣困難,因為海量監(jiān)測數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)街醒牍ぷ髡炯刑幚? 數(shù)據(jù)存儲負(fù)擔(dān)重, 而無線傳感器很難滿足傳輸這些數(shù)據(jù)的帶寬和電源需求。近來快速發(fā)展的智能傳感器技術(shù)使得使用密集陣列傳感器的損傷監(jiān)測成為可能[50- 54] 。具有嵌入式微處理器的智能傳感器和無線通信技術(shù)在土木基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測、控制和維護(hù)中具有很大的潛力。智能傳感器的基本特點是板載微處理器, 用于數(shù)據(jù)處理、模/ 數(shù)或頻碼轉(zhuǎn)換、計算并且有可實現(xiàn)自診斷、自識別或自適應(yīng)精度選擇的接口函數(shù), 還可以決定何時和多長時間進(jìn)行當(dāng)機存儲數(shù)據(jù)和控制以及喚醒以便節(jié)約功耗。板載微處理器允許傳感器決策、運算、數(shù)據(jù)存儲本地化, 通過在傳感器水平的部分運算, 僅傳輸必須的有限信息到中央工作站, 大大節(jié)約存儲和傳輸帶寬需求。
3．實時監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵問題
通過對已有的結(jié)構(gòu)損傷檢測和識別方法以及相關(guān)文獻(xiàn)的回顧可以知道, 不論采用什么方法, 結(jié)構(gòu)損傷檢測的內(nèi)容和終目的是相同的, 即首先確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷, 就目前已有的方法和技術(shù)而言, 這是相對比較容易實現(xiàn)的; 第二步是對損傷進(jìn)行定位; 然后是損傷類型判別和損傷程度估計; 后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)評估和安全性預(yù)測。對于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng), 如果從規(guī)劃階段, 將SHM 和結(jié)構(gòu)設(shè)計過程整體考慮, 這樣SHM 系統(tǒng)將會更有效。對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的SHM 系統(tǒng)改造也有一些機遇, 這一方面還要進(jìn)行更多的工作。
4. 結(jié)論與展望
工業(yè)化國家已經(jīng)投入了大量資金用于土木基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的發(fā)展, 為了保持這些投資價值, 必須注意適當(dāng)?shù)木S護(hù), SHM 已經(jīng)作為一種支持這一工作的工具而出現(xiàn)了。盡管已經(jīng)發(fā)展了很多基于結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和系統(tǒng)動力參數(shù)的損傷檢測方法,但由于結(jié)構(gòu)損傷的復(fù)雜性和各種影響因素的不確定性, 這些方法的實際應(yīng)用還存在很多困難 ?；诙鄬W(xué)科交叉的SHM 將是更加先進(jìn)的技術(shù), 除了要有深厚的結(jié)構(gòu)知識外, 還需要了解其他相關(guān)學(xué)科知識, 只有結(jié)構(gòu)振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學(xué)等相結(jié)合, 才有可能提高結(jié)構(gòu)損傷檢測的準(zhǔn)確性。從以上對SHM 和結(jié)構(gòu)損傷檢測的新文獻(xiàn)分析和總結(jié)可知, 目前亟待解決的課題還有很多, 需要我們持續(xù)不斷地研究和實踐。
關(guān)于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警管理的高新技術(shù)企業(yè)，聚華是專業(yè)的光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質(zhì)合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。r786.cn
結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量、剛度和阻尼的變 化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據(jù)這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價?；诙鄬W(xué)科交叉的SHM 將是更加先進(jìn)的技術(shù), 除了要有深厚的結(jié)構(gòu)知識外, 還需要了解其他相關(guān)學(xué)科知識, 只有結(jié)構(gòu)振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學(xué)等相結(jié)合, 才有可能提高結(jié)構(gòu)損傷檢測的準(zhǔn)確性。
工程結(jié)構(gòu)自建成后, 隨著服役時間的增長, 不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災(zāi)害等的作用, 若沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù), 將使十木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我國廣東省九江大橋和美國當(dāng)?shù)貢r間2007 年8 月1 日明尼蘇達(dá)州位于密西西比河上的高速公路135W 橋的坍塌, 造成了很大的生命財產(chǎn)損失, 對工程界產(chǎn)生了極大的震動, 也使人們對很多工程結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生了疑問。實現(xiàn)對土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的損傷檢測和識別過程稱為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)( Structural Health Monitoring, 簡寫為SHM) 。SHM 過程包括從傳感器陣列獲得周期性采樣的動力響應(yīng)觀測過程, 從采樣數(shù)據(jù)提取損傷敏感特性并對這些特性進(jìn)行統(tǒng)計分析, 然后用于判定當(dāng)前結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。
1 .結(jié)構(gòu)損傷檢測和識別技術(shù)
結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時, 會不同程度地引起結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量、剛度和阻尼的變化, 進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率、振型和阻抗的變化?，F(xiàn)有很多損傷檢測方法都是根據(jù)這些參數(shù)而提出的, 對這些方法作了較為全面的闡述和評價。宗周紅等[ 3] 從損傷診斷、系統(tǒng)識別和模型修正以及傳感器布置幾個方面對土木工程結(jié)構(gòu)損傷研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述; Rytter[4] 在其博士論文中將損傷識別分為四個遞進(jìn)層次; 第一層次確定結(jié)構(gòu)中是否存在損傷; 第二層次在第一層次的基礎(chǔ)上確定損傷的幾何位置; 第三層次在第二層次基礎(chǔ)上對損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化; 第四層次在第三層次基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。Farrar 和Worden[5] 將損傷識別分成5 個過程, 包括SHM, 條件監(jiān)測, 無損檢測評估, 統(tǒng)計過程控制和損傷預(yù)測。Giraldo[6] 在其博士論文中則將損傷檢測與識別分成三種類型: 基于振動的方法、基于靜力的方法以及結(jié)構(gòu)的直接檢測方法。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測多學(xué)科交叉的特性, 使得嚴(yán)格分類很困難也不科學(xué), 這里采用Ph. D. dissertat ion 的分類方法進(jìn)行闡述。分為：①基于結(jié)構(gòu)振動損傷檢測和識別②基于靜力的損傷檢測與識別③ 結(jié)構(gòu)損傷的直接檢測方法
2. 智能傳感技術(shù)及其應(yīng)用
對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和損傷檢測并提供實時安全可靠的結(jié)構(gòu)信息, 需要布置大量密集的傳感器。因為導(dǎo)線的高成本和在大型結(jié)構(gòu)中安裝與維護(hù)的困難, 使得傳統(tǒng)導(dǎo)線傳感器將不適于這樣的情況; 使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同樣困難,因為海量監(jiān)測數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)街醒牍ぷ髡炯刑幚? 數(shù)據(jù)存儲負(fù)擔(dān)重, 而無線傳感器很難滿足傳輸這些數(shù)據(jù)的帶寬和電源需求。近來快速發(fā)展的智能傳感器技術(shù)使得使用密集陣列傳感器的損傷監(jiān)測成為可能[50- 54] 。具有嵌入式微處理器的智能傳感器和無線通信技術(shù)在土木基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測、控制和維護(hù)中具有很大的潛力。智能傳感器的基本特點是板載微處理器, 用于數(shù)據(jù)處理、模/ 數(shù)或頻碼轉(zhuǎn)換、計算并且有可實現(xiàn)自診斷、自識別或自適應(yīng)精度選擇的接口函數(shù), 還可以決定何時和多長時間進(jìn)行當(dāng)機存儲數(shù)據(jù)和控制以及喚醒以便節(jié)約功耗。板載微處理器允許傳感器決策、運算、數(shù)據(jù)存儲本地化, 通過在傳感器水平的部分運算, 僅傳輸必須的有限信息到中央工作站, 大大節(jié)約存儲和傳輸帶寬需求。
3．實時監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵問題
通過對已有的結(jié)構(gòu)損傷檢測和識別方法以及相關(guān)文獻(xiàn)的回顧可以知道, 不論采用什么方法, 結(jié)構(gòu)損傷檢測的內(nèi)容和終目的是相同的, 即首先確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷, 就目前已有的方法和技術(shù)而言, 這是相對比較容易實現(xiàn)的; 第二步是對損傷進(jìn)行定位; 然后是損傷類型判別和損傷程度估計; 后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)評估和安全性預(yù)測。對于大型、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng), 如果從規(guī)劃階段, 將SHM 和結(jié)構(gòu)設(shè)計過程整體考慮, 這樣SHM 系統(tǒng)將會更有效。對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的SHM 系統(tǒng)改造也有一些機遇, 這一方面還要進(jìn)行更多的工作。
4. 結(jié)論與展望
工業(yè)化國家已經(jīng)投入了大量資金用于土木基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的發(fā)展, 為了保持這些投資價值, 必須注意適當(dāng)?shù)木S護(hù), SHM 已經(jīng)作為一種支持這一工作的工具而出現(xiàn)了。盡管已經(jīng)發(fā)展了很多基于結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和系統(tǒng)動力參數(shù)的損傷檢測方法,但由于結(jié)構(gòu)損傷的復(fù)雜性和各種影響因素的不確定性, 這些方法的實際應(yīng)用還存在很多困難 ?；诙鄬W(xué)科交叉的SHM 將是更加先進(jìn)的技術(shù), 除了要有深厚的結(jié)構(gòu)知識外, 還需要了解其他相關(guān)學(xué)科知識, 只有結(jié)構(gòu)振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料科學(xué)等相結(jié)合, 才有可能提高結(jié)構(gòu)損傷檢測的準(zhǔn)確性。從以上對SHM 和結(jié)構(gòu)損傷檢測的新文獻(xiàn)分析和總結(jié)可知, 目前亟待解決的課題還有很多, 需要我們持續(xù)不斷地研究和實踐。
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