概述
结构发生损伤时, 会不同程度地引起结构参数如质量、刚度和阻尼的变 化, 进而导致结构自振频率、振型和阻抗的变化。现有很多损伤检测方法都是根据这些参数而提出的, 对这些方法作了较为全面的阐述和评价。基于多学科交叉的SHM 将是更加先进的技术, 除了要有深厚的结构知识外, 还需要了解其他相关学科知识, 只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合, 才有可能提高结构损伤检测的准确性。
工程结构自建成后, 随着服役时间的增长, 不断受环境侵蚀和各种荷载以及自然灾害等的作用, 若没有适当的维护, 将使十木工程基础设施的状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我国广东省九江大桥和美国当地时间2007 年8 月1 日明尼苏达州位于密西西比河上的高速公路135W 桥的坍塌, 造成了很大的生命财产损失, 对工程界产生了极大的震动, 也使人们对很多工程结构的安全产生了疑问。实现对土木工程基础设施的损伤检测和识别过程称为结构健康监( Structural Health Monitoring, 简写为SHM) 。SHM 过程包括从传感器阵列获得周期性采样的动力响应观测过程, 从采样数据提取损伤敏感特性并对这些特性进行统计分析, 然后用于判定当前结构系统的健康状态。
1 .结构损伤检测和识别技术
结构发生损伤时, 会不同程度地引起结构参数如质量、刚度和阻尼的变化, 进而导致结构自振频率、振型和阻抗的变化。现有很多损伤检测方法都是根据这些参数而提出的, 对这些方法作了较为全面的阐述和评价。宗周红等[ 3] 从损伤诊断、系统识别和模型修正以及传感器布置几个方面对土木工程结构损伤研究进展进行了综述; Rytter[4] 在其博士论文中将损伤识别分为四个递进层次; 第一层次确定结构中是否存在损伤; 第二层次在第一层次的基础上确定损伤的几何位置; 第三层次在第二层次基础上对损伤的严重程度进行量化; 第四层次在第三层次基础上预测结构的剩余使用寿命。Farrar 和Worden[5] 将损伤识别分成5 个过程, 包括SHM, 条件监测, 无损检测评估, 统计过程控制和损伤预测。Giraldo[6] 在其博士论文中则将损伤检测与识别分成三种类型: 基于振动的方法、基于静力的方法以及结构的直接检测方法。由于结构健康监测多学科交叉的特性, 使得严格分类很困难也不科学, 这里采用Ph. D. dissertat ion 的分类方法进行阐述。分为：①基于结构振动损伤检测和识别②基于静力的损伤检测与识别③ 结构损伤的直接检测方法
2. 智能传感技术及其应用
对大型复杂结构进行监测和损伤检测并提供实时安全可靠的结构信息, 需要布置大量密集的传感器。因为导线的高成本和在大型结构中安装与维护的困难, 使得传统导线传感器将不适于这样的情况; 使用无线传感器网络同样困难,因为海量监测数据必须传输到中央工作站集中处理, 数据存储负担重, 而无线传感器很难满足传输这些数据的带宽和电源需求。近来快速发展的智能传感器技术使得使用密集阵列传感器的损伤监测成为可能[50- 54] 。具有嵌入式微处理器的智能传感器和无线通信技术在土木基础设施的监测、控制和维护中具有很大的潜力。智能传感器的基本特点是板载微处理器, 用于数据处理、模/ 数或频码转换、计算并且有可实现自诊断、自识别或自适应精度选择的接口函数, 还可以决定何时和多长时间进行当机存储数据和控制以及唤醒以便节约功耗。板载微处理器允许传感器决策、运算、数据存储本地化, 通过在传感器水平的部分运算, 仅传输必须的有限信息到中央工作站, 大大节约存储和传输带宽需求。
3．实时监测系统的关键问题
通过对已有的结构损伤检测和识别方法以及相关文献的回顾可以知道, 不论采用什么方法, 结构损伤检测的内容和终目的是相同的, 即首先确定结构是否存在损伤, 就目前已有的方法和技术而言, 这是相对比较容易实现的; 第二步是对损伤进行定位; 然后是损伤类型判别和损伤程度估计; 后对结构进行健康状态评估和安全性预测。对于大型、复杂结构的结构监测系统, 如果从规划阶段, 将SHM 和结构设计过程整体考虑, 这样SHM 系统将会更有效。对于现有结构的SHM 系统改造也有一些机遇, 这一方面还要进行更多的工作。
4. 结论与展望
工业化国家已经投入了大量资金用于土木基础结构的发展, 为了保持这些投资价值, 必须注意适当的维护, SHM 已经作为一种支持这一工作的工具而出现了。尽管已经发展了很多基于结构振动响应和系统动力参数的损伤检测方法,但由于结构损伤的复杂性和各种影响因素的不确定性, 这些方法的实际应用还存在很多困难 。基于多学科交叉的SHM 将是更加先进的技术, 除了要有深厚的结构知识外, 还需要了解其他相关学科知识, 只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合, 才有可能提高结构损伤检测的准确性。从以上对SHM 和结构损伤检测的新文献分析和总结可知, 目前亟待解决的课题还有很多, 需要我们持续不断地研究和实践。
关于聚华科技
杭州聚华光电科技有限公司是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是专业的光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com
结构发生损伤时, 会不同程度地引起结构参数如质量、刚度和阻尼的变 化, 进而导致结构自振频率、振型和阻抗的变化。现有很多损伤检测方法都是根据这些参数而提出的, 对这些方法作了较为全面的阐述和评价。基于多学科交叉的SHM 将是更加先进的技术, 除了要有深厚的结构知识外, 还需要了解其他相关学科知识, 只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合, 才有可能提高结构损伤检测的准确性。
工程结构自建成后, 随着服役时间的增长, 不断受环境侵蚀和各种荷载以及自然灾害等的作用, 若没有适当的维护, 将使十木工程基础设施的状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。例如, 2007 年6 月15 日我国广东省九江大桥和美国当地时间2007 年8 月1 日明尼苏达州位于密西西比河上的高速公路135W 桥的坍塌, 造成了很大的生命财产损失, 对工程界产生了极大的震动, 也使人们对很多工程结构的安全产生了疑问。实现对土木工程基础设施的损伤检测和识别过程称为结构健康监( Structural Health Monitoring, 简写为SHM) 。SHM 过程包括从传感器阵列获得周期性采样的动力响应观测过程, 从采样数据提取损伤敏感特性并对这些特性进行统计分析, 然后用于判定当前结构系统的健康状态。
1 .结构损伤检测和识别技术
结构发生损伤时, 会不同程度地引起结构参数如质量、刚度和阻尼的变化, 进而导致结构自振频率、振型和阻抗的变化。现有很多损伤检测方法都是根据这些参数而提出的, 对这些方法作了较为全面的阐述和评价。宗周红等[ 3] 从损伤诊断、系统识别和模型修正以及传感器布置几个方面对土木工程结构损伤研究进展进行了综述; Rytter[4] 在其博士论文中将损伤识别分为四个递进层次; 第一层次确定结构中是否存在损伤; 第二层次在第一层次的基础上确定损伤的几何位置; 第三层次在第二层次基础上对损伤的严重程度进行量化; 第四层次在第三层次基础上预测结构的剩余使用寿命。Farrar 和Worden[5] 将损伤识别分成5 个过程, 包括SHM, 条件监测, 无损检测评估, 统计过程控制和损伤预测。Giraldo[6] 在其博士论文中则将损伤检测与识别分成三种类型: 基于振动的方法、基于静力的方法以及结构的直接检测方法。由于结构健康监测多学科交叉的特性, 使得严格分类很困难也不科学, 这里采用Ph. D. dissertat ion 的分类方法进行阐述。分为：①基于结构振动损伤检测和识别②基于静力的损伤检测与识别③ 结构损伤的直接检测方法
2. 智能传感技术及其应用
对大型复杂结构进行监测和损伤检测并提供实时安全可靠的结构信息, 需要布置大量密集的传感器。因为导线的高成本和在大型结构中安装与维护的困难, 使得传统导线传感器将不适于这样的情况; 使用无线传感器网络同样困难,因为海量监测数据必须传输到中央工作站集中处理, 数据存储负担重, 而无线传感器很难满足传输这些数据的带宽和电源需求。近来快速发展的智能传感器技术使得使用密集阵列传感器的损伤监测成为可能[50- 54] 。具有嵌入式微处理器的智能传感器和无线通信技术在土木基础设施的监测、控制和维护中具有很大的潜力。智能传感器的基本特点是板载微处理器, 用于数据处理、模/ 数或频码转换、计算并且有可实现自诊断、自识别或自适应精度选择的接口函数, 还可以决定何时和多长时间进行当机存储数据和控制以及唤醒以便节约功耗。板载微处理器允许传感器决策、运算、数据存储本地化, 通过在传感器水平的部分运算, 仅传输必须的有限信息到中央工作站, 大大节约存储和传输带宽需求。
3．实时监测系统的关键问题
通过对已有的结构损伤检测和识别方法以及相关文献的回顾可以知道, 不论采用什么方法, 结构损伤检测的内容和终目的是相同的, 即首先确定结构是否存在损伤, 就目前已有的方法和技术而言, 这是相对比较容易实现的; 第二步是对损伤进行定位; 然后是损伤类型判别和损伤程度估计; 后对结构进行健康状态评估和安全性预测。对于大型、复杂结构的结构监测系统, 如果从规划阶段, 将SHM 和结构设计过程整体考虑, 这样SHM 系统将会更有效。对于现有结构的SHM 系统改造也有一些机遇, 这一方面还要进行更多的工作。
4. 结论与展望
工业化国家已经投入了大量资金用于土木基础结构的发展, 为了保持这些投资价值, 必须注意适当的维护, SHM 已经作为一种支持这一工作的工具而出现了。尽管已经发展了很多基于结构振动响应和系统动力参数的损伤检测方法,但由于结构损伤的复杂性和各种影响因素的不确定性, 这些方法的实际应用还存在很多困难 。基于多学科交叉的SHM 将是更加先进的技术, 除了要有深厚的结构知识外, 还需要了解其他相关学科知识, 只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合, 才有可能提高结构损伤检测的准确性。从以上对SHM 和结构损伤检测的新文献分析和总结可知, 目前亟待解决的课题还有很多, 需要我们持续不断地研究和实践。
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杭州聚华光电科技有限公司是一家基于物联网光纤传感器技术从事土木工程结构健康监测与预警管理的高新技术企业，聚华是专业的光纤光栅传感器产品提供商和土木工程结构健康监测一站式解决方案优质合作伙伴。公司专注于桥梁、隧道、边坡、基坑、地铁、矿山、电力等土木工程领域的结构健康监测相关产品的研发、生产、推广与应用，以提供野外光纤传感器自动化监测产品、工程结构安全监测一站式解决方案见长。主要以光纤光栅传感器技术、分布式光纤测温技术、工程安全自动化云计算软件、工程化专业领域数据分析为技术核心。www.cavono.com