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(jià)、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)。
A Summary Review of Recent Advances in Research on Structural Health Monitoringfor Civil Engineering Structures
王春濤WANG Chun-tao（南昌大學(xué)科技學(xué)院，南昌330000）（Nanchang University College of Science and Technology，Nanchang 330000，China）
摘要院對于經(jīng)過長時間運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，以及經(jīng)歷了各種災(zāi)害影響的結(jié)構(gòu)，其安全性備受關(guān)注。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測可較好地評估結(jié)構(gòu)的安全性。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心是結(jié)構(gòu)損傷診斷，對損傷診斷各種方法進(jìn)行了匯總分析，并對今后的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷診斷進(jìn)行了展望。
Abstract: For the long time running structure and the structure suffered of various disasters, structural safety is widely concerned. Thesafety of structure can be evaluated by structural health monitoring (SHM). The point of SHM is structural damage diagnosis. Variousmethods of damage diagnosis are analysised, and the structural health monitoring and damage diagnosis is prospected.
關(guān)鍵詞院結(jié)構(gòu)工程；結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測；綜述；損傷識別
Key words: structural engineering；health monitoring；review；damage diagnosis
中圖分類號院TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識碼院A 文章編號院1006-4311（2014）02-0063-020
引言很多大型土木工程結(jié)構(gòu)在受到各種災(zāi)害時，其結(jié)構(gòu)的可靠性會下降；即使沒有經(jīng)歷大型災(zāi)害，很多結(jié)構(gòu)因?yàn)榻?jīng)歷了長時間的運(yùn)行，受到環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載效應(yīng)等影響，其結(jié)構(gòu)也會受到一定損傷，使抵抗自然災(zāi)害、正常荷載以及環(huán)境作用的能力下降。一旦結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的損傷積累到一定程度，可能導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的突然毀壞，從而引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此，及時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況，對結(jié)構(gòu)早期損傷進(jìn)行維修，保證結(jié)構(gòu)性能從而延長結(jié)構(gòu)壽命，是保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要途徑。所以，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測成為了當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述1.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的含義結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(StructureHealth Monitoring,簡稱SHM)技術(shù)是根據(jù)探測到的響應(yīng)，結(jié)合系統(tǒng)的特性分析，通常在判斷結(jié)構(gòu)損傷的嚴(yán)重性和損傷的位置時會使用到這項(xiàng)技術(shù)。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基本思想是通過測量結(jié)構(gòu)在超常荷載前后響應(yīng)的變化來推斷結(jié)構(gòu)特性的變化，進(jìn)而探測和評價(jià)結(jié)構(gòu)的損傷和位置，或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期退化[1]。
未導(dǎo)入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)會隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加而下降它的可靠性，同時它的維護(hù)成本也會加大；但是已經(jīng)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的可靠性一直很穩(wěn)定，其維護(hù)管理的成本也基本不變或漲幅不大。所以，研究有效的健康監(jiān)測、損傷識別、安全評定、損傷控制及修復(fù)技術(shù)，具有重要意義。
1.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是從實(shí)測的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信號中提取結(jié)構(gòu)的參數(shù)和/或與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的指標(biāo)并由此推斷結(jié)構(gòu)的損傷，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的反問題，是傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、自動控制和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的交叉領(lǐng)域。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以劃分為在線測試、實(shí)時分析、損傷診斷、狀態(tài)評估以及維護(hù)決策等5 個部分[2]，其中，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的基礎(chǔ)是損傷識別，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心是損傷定位與定量，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，損傷識別和損傷定位是最困難也是最關(guān)鍵的。
2 損傷識別和定位的研究現(xiàn)狀因?yàn)榛诮Y(jié)構(gòu)動態(tài)特性的損傷診斷方法具有信號易于提取、傳感器可以安裝在人們不易接近的結(jié)構(gòu)部位，操作簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛應(yīng)用，主要檢測方法可以歸為三大類：第一類是基于有限元模型修正和系統(tǒng)識別方法；第二類是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法；第三類是基于應(yīng)力波理論的方法，這三類方法中又以第一類方法為主。
模型修正是利用直接或間接測知的模態(tài)參數(shù)、加速度時程記錄、頻率響應(yīng)函數(shù)“（FRF）等構(gòu)造方程誤差，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度分布，從而得到結(jié)構(gòu)剛度變化的信息，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷判別與定位?；谟邢拊Ｐ托拚A(chǔ)上的結(jié)構(gòu)損傷識別方法主要有以下三種:淤優(yōu)化矩陣法[3]；于靈敏度分析法[4]；盂控制基礎(chǔ)上的損傷識別方法[5]。
目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，也給結(jié)構(gòu)損傷識別帶來了新的發(fā)展機(jī)會。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)反映的是一種網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出的非線性映射關(guān)系，可以避免一般有限元模型修正基礎(chǔ)上的損傷識別方法要求必須建立結(jié)構(gòu)物理參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的函數(shù)關(guān)系以及因此可能帶來的一些問題，因此能被廣泛地應(yīng)用于有限元模型修正及基于有限元模型修正基礎(chǔ)上的損傷識別當(dāng)中。除此之外，一種無模型的損傷識別方法也獲得了相應(yīng)的進(jìn)展。這類方法一般不采用結(jié)構(gòu)有限元模型，希望只通過結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別，并相應(yīng)提出一些損傷指標(biāo)。在基于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的損傷診斷方法中常用的損傷指標(biāo)有：MAC（模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)）[6]、COMAC（坐標(biāo)模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn)）[7]、頻率[8]等。
3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的工程應(yīng)用與展望從20 世紀(jì)80 年代中后期開始，美國開始在多座梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和實(shí)時評定服役安全狀態(tài)監(jiān)測，他們監(jiān)測了橋梁的環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動和局部應(yīng)力狀態(tài)。1995 年，美國投資1.44 億美元，在90 座大壩配備了安全監(jiān)測設(shè)備。香港青馬大橋安裝了500 個加速度傳感器、粘貼了大量的應(yīng)變片和安裝了一套GPS 系統(tǒng)，用以監(jiān)測橋梁的服役安全性。虎門大橋安裝了一套GPS 系統(tǒng)、在箱形橋面梁內(nèi)粘貼了應(yīng)變片，用以監(jiān)測整體變形和局部應(yīng)變。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在土木工程領(lǐng)域還只能算剛起步，能用于實(shí)際工程的成果較少。目前來看以下幾個方面的研究比較重要：淤探索適合土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)識別方法具有重要意義。由于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的很多理論是從機(jī)械行業(yè)移植過來，但畢竟土木和機(jī)械學(xué)科不同，有許多理論可能并不適用，因此，需要研究適合土木工程結(jié)構(gòu)的模態(tài)識別方法。
于加強(qiáng)整個監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性。目前的大部分工作集中在提高損傷識別和定位的準(zhǔn)確性上，但監(jiān)測是長期工作，監(jiān)測系統(tǒng)（包括傳感器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）在長期使用中如果出現(xiàn)錯誤，將導(dǎo)致整個監(jiān)測的失敗。
盂研究更加合理的算法，使實(shí)時監(jiān)控所得的數(shù)據(jù)通過算法能得到有用的結(jié)論以評估結(jié)果的安全性。
榆建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的安全性標(biāo)準(zhǔn)，只有形成明確的標(biāo)準(zhǔn)，才能根據(jù)監(jiān)測結(jié)果明確判斷結(jié)構(gòu)的安全性。
參考文獻(xiàn)院[1]A Johnson, H F Lam, et al Phase I IASC-ASCE StructuralHealth Monitoring Benchmark Problem Using Simulated Data [J].Journal of Engineering Mechanics, ASCE January 2004:3-15.[2]李愛群,丁幼亮.工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007.[3]彭曉洪，丁錫洪.用模態(tài)參數(shù)識別結(jié)果對實(shí)際結(jié)構(gòu)有限元動力模型的修正[J].振動與沖擊，1984,3:8-15.[4]J.M. Ricles and J.B. Kosmatka. Damage Detection in ElasticStructures Using Vibration Residual Forces and WeightedSensitivity. AIAA Journal, 1992, 30(9):2310-2316.[5]D.C. Zimmerman and M. Kaouk. Eigenstructure AssignmentApproach for Structural Damage Detection. AIAA Journal, 1992, 30(7):1848-1855.[6]R.J. Allemany and D.L. Brown. A Correlation Coefficient forModal Vector Analysis. Proc. of the 1st IMAC, 1982:110-116.[7]N.A.J. Lieven and D.J. Ewins. Spatial Correlation of ModeShapes, the Coordinate Modal Assurance Criterion (COMAC). Proc.of the 6th, IMAC, 1988:690-695.[8]Yong Xia, Hong Hao. Statistical Damage Identification ofStructures with Frequency Changes. Journal of Sound and Vibration,2003, 263(4):853-870.作者簡介院王春濤（1971-），男，河南新鄉(xiāng)人，副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)。
