中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
1. 引言
近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，住宅，商業(yè)樓，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也隨之加快了腳步。如今新的住宅小區(qū)，辦公樓比比皆是，這也提醒我們注意到了這樣一個問題：任何土木結(jié)構(gòu)都會由于材料本身老化、過度使用、環(huán)境侵蝕、缺乏維護(hù)［1］等因素的影響而失效,如何保證這些建筑的使用效果，也就是說在其使用期限內(nèi)，如何及時監(jiān)測到結(jié)構(gòu)的損傷以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固。工程結(jié)構(gòu)自建成后, ,若沒有適當(dāng)?shù)木S護(hù),將使結(jié)構(gòu)狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。除了房屋外，一些重大土木工程結(jié)構(gòu)，如水壩、橋梁、電廠、軍事設(shè)施、高層建筑等，在遭受地震、洪水、颶風(fēng)、爆炸等自然或人為災(zāi)害時的安全問題，與人民的生命財產(chǎn)息息相關(guān)，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。上述重要結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了極端災(zāi)害性事件后，立即對他們的健康狀況做出評估是非常必要的，實(shí)時地監(jiān)測和預(yù)報結(jié)構(gòu)的性能，及時發(fā)現(xiàn)和估計結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的位置和程度，預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，合理疏散居民，對提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營效率，保障人民生命財產(chǎn)安全具有極其重大的意義。例如,由于缺乏維護(hù),美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA) 聲稱,到2003 年為止,美國27.1%的橋梁有結(jié)構(gòu)缺陷或功能退化,而對所有59萬多座橋梁進(jìn)行更新和適當(dāng)修復(fù),需要今后20年每年投資94億美元。故而，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。
2. 健康監(jiān)測概述
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural Health Monitoring，簡稱SHM)指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù)，通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的［2］。健康監(jiān)測的過程包括：通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的動力響應(yīng)測量值，從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，并對這些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況［3］。對于長期的健康監(jiān)測，系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的完成預(yù)期功能變化的適時信息。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測技術(shù)是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)健康的在線實(shí)時連續(xù)監(jiān)測、檢查與損傷探測的自動化系統(tǒng)，能夠通過局域網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程中心，自動地報告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。它與傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)(Nondestructive Evaluation，簡稱NDE)不同，通常NDE技術(shù)運(yùn)用直接測量確定結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)，無需歷史記錄數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果很大程度取決于測量設(shè)備的分辨率和精度［4］。而SHM 技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)在同一位置上不同時間的測量結(jié)果的變化來識別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此歷史數(shù)據(jù)至關(guān)重要。識別的精度強(qiáng)烈依賴于傳感器和解釋算法。可以說，健康監(jiān)測有可能將目前廣泛采用的離線、靜態(tài)、被動的損傷檢測，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€、動態(tài)、實(shí)時的監(jiān)測與控制，這將導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控、減災(zāi)防災(zāi)領(lǐng)域的一場革命。顯然結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一個跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它包括工程結(jié)構(gòu)、動力學(xué)、信號處理、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、材料學(xué)、模式識別等多方面的知識。
3. 損傷檢測識別標(biāo)準(zhǔn)與方法
損傷識別分為四個等級;第一等級是確定結(jié)構(gòu)中是否存在損傷;第二等級是在第一等級的基礎(chǔ)上確定損傷的幾何位置;第三等級是在第二等級的基礎(chǔ)上對損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化;第四等級是在第三等級的基礎(chǔ)上預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命［5］。迄今為止，基于振動分析的損傷識別方法只能解決等級一和等級二的問題。如果與結(jié)構(gòu)模型聯(lián)合起來，則可解決一部分等級三的問題。如果要解決等級四的問題，則還需要斷裂力學(xué)、疲勞壽命分析或結(jié)構(gòu)設(shè)計評估等多方面知識。損傷檢測與識別大致可分成兩種類型:基于振動的方法、靜態(tài)檢測方法。靜態(tài)測量數(shù)據(jù)比較直接可靠，但進(jìn)行數(shù)據(jù)測量需要進(jìn)行封閉試驗(yàn)，會影響服役結(jié)構(gòu)的正常使用。振動測試可以在結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)下進(jìn)行，易于把拾振傳感器安裝在結(jié)構(gòu)深處;用做振動診斷的信號類型多，量值變化范圍大，而且又是多維的，便于識別不同類型的故障。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)的實(shí)時分析技術(shù)與處理技術(shù)得到提升,這些技術(shù)在當(dāng)今國內(nèi)外的結(jié)構(gòu)損傷檢測中都得到了較好的運(yùn)用［6］。因此，動態(tài)損傷識別方法的研究較多。動態(tài)方法按照所利用的特征量是否使用結(jié)構(gòu)模型，可分為無模型識別方法和有模型識別方法兩類。無模型方法不使用與結(jié)構(gòu)模型有關(guān)的特征量，從振動的時程、頻譜或時頻分析推導(dǎo)而來［7］，但由于土木工程結(jié)構(gòu)規(guī)模龐大，難以對損傷進(jìn)行定量研究。有模型方法使用結(jié)構(gòu)模型，基本是有限元模型，使用的是與結(jié)構(gòu)模型有關(guān)的特征量，包括固有頻率、模態(tài)振型、曲率模態(tài)及有限元模型信息等，該方法能克服使用無模型方法的局限性，因此正越來越得到研究者的關(guān)注。
4. 動態(tài)檢測方法的基本方法原理
利用結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)和系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷探測是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。這種方法利用未損傷結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型連同未損傷的振動試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為探測有損結(jié)構(gòu)的振動信息、與損傷結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行比較，從而判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置和損傷的程度。眾所周知，任何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都可以看作是剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣組成的力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)參數(shù)隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)和模態(tài)參數(shù)(頻率和振型等)的改變，所以，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的改變可以視為結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損傷的標(biāo)志，成為用振動方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的切入點(diǎn)。
