本站原创土木工程中的安全事故发生机率呈逐年上升的趋势,对于土木工程结构健康监测的研究已经越来越受到国内外专家学者的关注.土木工程结构健康监测系统涉及不同的专业和领域,对于技术和能力的要求特别高,为了减少土木工程建设施工的安全事故发生频率,提高土木工程建设的质量,必须对土木工程结构健康进行监测.
前言
土木工程的重要结构一旦发生事故,对建筑工程以及人民群众的生命财产安全将造成不可估量的损失,所以越来越多的人将目光投向了土木工程建设的安全性研究.对土木工程结构健康进行有效的监测,可以提高土木工程建设的质量和安全性,避免和减少由于土木工程安全事故给人民群众的生命财产造成的巨大损失.
土木工程结构健康监测的必要性
重大的土木工程结构,如桥梁、房屋等,与人民群众的生命财产安全息息相关,一旦发生安全事故,将会带来巨大的人员伤亡和经济财产的损失.但是近些年来,我国土木工程的事故发生频率不断升高,对人民群众的生命财产安全造成极大的威胁.对土木工程结构造成损害的原因有很多,比如洪水、地震等自然灾害,或者爆炸等人为性的破坏性行为,都会对土木工程的结构造成不同程度的损害,这些损害所带来的危害使人们对土木工程的结构安全问题越来越重视,怎样对土木工程结构的健康状况进行有效的监测,成为目前迫在眉睫的工作之一.
土木工程结构健康监测系统综述
1.概念综述
土木工程结构健康监测（SHM）是指通过现场无损传感技术,对工程的结构响应等相关的结构系统的特性进行有效的分析,从而检测出土木工程结构上的损伤或者退化程度.
土木工程结构健康监测需要对工程结构进行损伤识别和安全性能的评估,土木工程的结构损伤通常分为两种,一种是突然性的损伤,另外一种是积累性的损伤.突然性的损伤是指地震、台风、洪水等突发的自然灾害,或者爆炸等突发性人为因素对土木工程造成的结构损伤,而经过长时间的使用过程中积累下来的对结构的损伤,则是土木工程的积累性损伤.通过对损伤的识别,可以清楚土木工程结构是否有损伤发生的情况,确定损伤的类型、部位以及损伤的程度,并对工程结构的剩余使用寿命做出评估.安全性评估则是在健康监测与损伤识别的基础上,通过不同的技术手段对土木工程结构当前的安全性能和等级做出相应的判断.
2.健康监测系统的组成
土木工程结构健康监测采用的是实时的监测技术,对工程结构进行在线监测,结构健康监测系统的组成部分可以分为传感器子系统、数据采集和处理以及传输的子系统、损伤识别和安全评估子系统、数据管理子系统.传感器系统的主要作用是将工程结构需要测量的物理量转换成电信号进行输出,数据采集和处理以及传输的子系统由软件和硬件组成,通常安装在待测的工程结构之中,对传感器转化的数据进行采集和处理,并且输送到结构监测的中心.由损伤识别系统对采集回来的数据进行分析和整理,对土木工程的安全性能进行评估,对存在安全问题的工程结构进行安全预警,然后将分析得来的数据存储在数据管理的子系统中,对整个土木工程结构健康监测所得到的数据进行管理.
健康监测系统的研究状况
1.传感器系统
传感器系统有用于局部监测的传感器系统,也有用于整体监测的传感器系统,局部监测的传感器系统是对土木工程的重要部位和结构进行感知,而整体监测的传感器则是通过相应技术对土木工程的宏观进行感应.用于局部监测的传感器主要有光纤光栅传感器、压电材料传感器及以形状记忆合金为材料的传感器,用于整体监测的传感器主要有GPS接收机、全站仪、激光准直仪,也采用机器人测量的技术.
2.数据采集与处理系统
数据信息的采集和处理对土木工程结构健康监测系统具有重要作用,能够对传感器转化的信息进行有效的采集和整理,数据采集系统有硬件和软件两个部分,可以通过一些信息技术将数字信号进行采集和整理,通常用到的计算机技术有C语言、Delphi等,可以通过编程对采集到的文字、图片等数据信息进行多样化的处理.
3.损伤识别和安全评估系统
土木工程机构的损伤识别是实时在线的识别和监测,通常使用动力指纹分析方法、模型修正和系统识别方法、神经网络方法、遗传算法等技术方法对工程结构进行监测.对土木工程结构安全的评估一般采取可靠度理论、层次分析法、模糊理论和专家系统等方法对其进行评估,可以对土木工程结构进行全面、系统、科学的评估判断.
结构健康监测系统的应用
土木工程结构健康监测系统在国内和国际上都有较广泛的应用,特别是大跨桥梁和高层复杂建筑的结构健康监测之中,国外应用较成功的范例是日本的明石海峡大桥以及德国的莱特火车站的大楼,都应用了土木工程的结构健康监测系统,对其结构进行损伤识别和安全评估.国内对土木工程健康监测的应用由于成本较高和技术复杂,主要应用在大型桥梁的监测中,如虎口大桥等.
在今后土木工程结构健康监测系统的发展过程中要特别注意对结构损伤程度的量化问题,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,采用无线监测系统,提高信息采集的效果.
总结：土木工程结构健康监测系统对于土木工程的安全性能评估以及今后的发展具有重要作用,虽然结构健康监测和损伤识别的技术是新兴的科技,在应用过程中还存在一定的局限性,但要加大对结构健康监测领域的研究力度,将来会具有非常广阔的发展空间.
（作者单位：广东技术师范学院天河学院）