土木工程智能化结构的应用与

【摘 要】近些年来,有关土木工程智能化结构是相关领域中较为活跃的研究课题之一,也是未来土木工程的重要发展方向之一.本文先针对土木工程智能化结构的理论体系构成进行了分析,包括智能化结构层次的发展及智能化结构的类型等内容,并重点就土木工程智能化结构的应用情况进行了探讨.

【关 键 词】土木工程；智能结构；应用

较土木工程传统结构而言,智能化结构主要是将智能化材料、信息技术及自动化控制等交叉融合到了传统结构中,使其不仅拥有传统结构的舒适性、安全性及其耐久性,还具有自控性、自感知性、自修复性及自适应性等特性.虽然,目前想要将上述所有功能集成于一身仍存在一定的难度,但是具有其中某几项智能化特性的土木工程智能化结构已经得到了较为深入的研究.

1.土木工程智能化结构的理论体系构成

1.1土木工程智能化结构层次的发展

对于土木工程传统结构而言,其结构较为被动,一经设计及制造后将很难对其性能及其使用状态进行控制和预知,因而为土木工程传统结构的使用及其维护带来了诸多不便.为了有效解决此问题,研发出了一种在线监测结构,其使得传统土木工程结构具有了在线监测的功能,为进一步探知土木工程的内部结构性能带来了曙光,并为人们方便有效地了解土木工程结构的内部物理力学场的演变提供了技术支持,此即土木工程智能化结构发展的第一个层次；以在线监测结构为基础,在结构中进一步引入了监测数据的智能化处理机制,这使得传统结构拥有了自动化诊断、推理及感知的功能,使得土木工程智能化结构实现了第二种层次的发展；在智能化结构的第二层次基础上进一步引入了自动化控制及自适应机制,使得结构能够对耦合的动作系统进行必要的反应,因而实现了对土木工程结构的智能化控制,这即第三层次的智能化发展,例如,可对土木工程结构的开裂、变形、锈蚀、老化、损伤及动力振动等多种行为进行有效的抑制性控制,并在更高层次方面对土木工程的结构进行了保护和维修.

由此可见,在土木工程智能化结构的发展及演变过程中,根据其智能化程度的高低可将其分为如下三个层次：1）自感知土木工程结构,此为智能化结构中最为低级的形式；2）自诊断土木工程结构,对第一层次的智能化结果进行了进一步加工和处理,可对土木工程结构的内部力学物理场进行自动化计算,对结构中特定的目标参数进行自我诊断,并以结构自身行为的对策为目标进行自我推理等；3）智能化控制土木工程结构,其为智能化结构中的最高形式.此三种层次的关系见图1.

1.2土木工程智能化结构的主要类型

根据材料的不同,可将土木工程智能化结构分为如下两种类型：1）嵌入式智能化结构.即在诸如钢结构、钢筋混凝土结构等基体材料中嵌入具有动作、传感及控制处理等功能的仪器或材料,并集计算机软、硬件技术于其中,通过传感器对结构内部信息进行采集和检测,经计算机的加工和处理后,将分析结果传送至控制处理器中,控制处理器根据结果对各驱动元件进行指挥和激励,使其执行相应的动作.通常而言,此类智能化结构仅需对传统结构进行改进即可,无须对结构内部的力学性能进行额外研究,因此,容易实现传统结构到智能化结构的平稳过渡,因此,也是该领域的研究热点；2）基体及智能化材料耦合结构,这些结构材料自身即具有智能化功能,可根据自身物理及力学状态的改变来对自身性能进行改变.例如,碳纤维混凝土材料可根据受力情况对其导电性能进行改变.因此,只要探测到这些改变即可获得土木工程结构的内部物理及力学信息.

2.土木工程智能化结构的应用情况分析

根据上述理论体系可知,土木工程智能化结构主要是为了解决传统土木工程结构在完整性、安全性、耐久性及结构强度等方面存在的问题.通过对土木工程建筑结构的相关性能进行预报及监测,不仅可以大幅度降低维修费用,还能够有效增强其结构预测能力,通过在结构内部设置传感器,即可对其性能进行实时性监测.由此可见,土木工程智能化结构的应用前景十分乐观,并已经在高层建筑、大坝及桥梁等土木工程领域得到了较为广泛的应用.例如不少桥梁工程已经进行了监测传感器的布设,以便对施工质量及其安全状态进行检测,我国香港青马大桥及国内的虎门大桥等也纷纷装设了传感系统,以监测大桥使用过程中的服役安全状态.

2.1土木工程结构损伤及其健康方面的检测

诸如人工目测法等传统检测手段及无损检测技术均为局部结构损伤检测方法,很难对土木工程整体结构性能的退化情况进行预报,也无法对结构的损伤及健康情况进行诊断和监测.现代化检测可采用具有自感知、自诊断新型的智能传感元件,例如光导纤维、压电材料、碳纤维以及半导体材料等构成的检测设备,这样不仅克服了传统传感器在监测方面的不足,还能对结构损伤进行灵敏性检测,并对损伤及程度进行定位和表征.以结构失效的发生过程进行判断：首先,是裂纹及损伤的发生；而后裂纹及损伤在应力的作用下进一步扩展；最后,当所累积的损伤超过某值后,裂纹以声速进行扩展,并可能引发灾难性的事故.因此,必须对重要结构的危险截面进行实时性监测,以及时探测到结构中所存在的细微损伤.其损伤诊断过程如下：1）信号的测量；2）特征信号的提取；3）进行典型损伤特征库的构建；4）对损伤位置、程度及类型进行识别.

2.2智能化材料的应用

根据应用情况可将智能化材料分为如下两种：一种是传感元件类的制作材料,其特点是对于内、外刺激强度具有感知功能,例如,应力、光、热、化学、物理、磁辐射及电等刺激.此类材料即所谓的感知材料,其主要包括了压电高分子、压电陶瓷、应变合金及光导纤维等传感器材料.感知材料可能经电、磁场和温度的变化而对其尺寸、形状、刚度、内耗、振动频率、阻尼及其他特性进行智能化改变,因此,可根据需求的不同对材料进行选择,并加工出合适的驱动或执行元件.另一种即驱动器制作材料,包括磁流变体材料、电流变体材料、电致磁致伸缩材料、形状记忆材料及功能凝胶等等,其特点是可以电场、磁场及温度等的变化为依据对自身尺寸、形状、刚性、位置、阻尼、频率、结构或内耗等进行改变,从而使其具有环境自适应等功能.

3.结语

智能化结构是一项知识跨度大、开发难度高的一项新型学科,其研究意义重大、发展空间广阔.随着科学技术的发展,智能化结构已经在土木工程领域得到广泛的应用,并且大大推动了土木工程的发展.在土木工程的交叉学科应用和结构设计理念中,智能化结构在很大程度上影响了它们的发展.因此,只有对智能化结构进行更为深入的研究和开发,才能使其在土木工程中发挥更大的优势.此外,还应在传统的智能化技术方面,引入集成化技术,以便对土木工程的智能化结构进行不断创新和完善,从而进一步推动土木工程的发展.