土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

陈鑫 占兴超

【摘要】土木工程结构健康监测成为了最近建筑行业的热点问题之一，因为它涉及的不是单一的领域和学科，而是一个庞大的复杂的系统，包括了数据采集、力学分析等等学科。而在现实生活中，对土木工程结构进行健康监测也是非常必要的。本文由土木工程结构健康监测的相关概念引出话题，分析其最近的研究状况，对健康监测系统的未来发展进行一些合理的展望。

【关键词】健康监测；土木工程；损伤诊断。

近些年来，土木工程因为其健康问题导致的事故频发，造成了巨大的经济损失和人员伤亡，已经成为整个社会关心的重要话题。随着经济发展，人民生活水平提高，越来越多的机动车出现在道路桥梁上，越来越多的高层建筑拔地而起，因为疲劳而造成事故不断发生。再加上相当多的道路桥梁等基础设施建造年代已久，给人们的财产和生命安全造成了巨大的威胁，亟需一种科学的健康监测系统去对其稳定性进行监测。

一、土木工程结构健康监测概述

土木工程结构上的损伤一般有两种，一种是突发的，一种是积累的。突发的结构损伤排除土木工程本身质量问题，大多数情况下是由于各种自然灾害或者是像爆破等人为因素造成的，而积累性的损伤和退化与工程质量本身和长时间的使用受力相关。结构健康监测是指利用一些先进的技术，对土木工程的物理结构进行科学的监测和分析，能够及时地监测出道路桥梁的受力状况、疲劳程度和结构损伤等问题，为其修补或者重建提供相关依据。我们不能仅仅进行瞬时的监测，检测出某一时间道路或者桥梁是否有结构损伤，这样就失去了监测的意义，我们需要对其进行长期的监测，从结构设计到具体的施工，再到竣工验收、投入使用，我们都要对其结构进行必要的监测和评估。但是由于土木工程往往都比较庞大，没有办法理想地迅速找出某一处或者某几处损伤点，所以还需要综合各项数据进行统筹分析。

二、现阶段土木工程结构健康监测的发展状况

目前的结构健康监测主要分为三个类型。第一是神经网络法，这种方法不需要结构模型的相关信息，适合于无法确定参数模型的情形下使用。这种方法的灵感来源是人的大脑与神经系统，它关注的重点不是结构的外在表现，而是其内在神经网络，所以它更为科学和准确，所以近些年来受到越来越多的关注。第二是动力分析法，它的原理是根据土木工程的物理特性。因为任何一个建筑我们都可以将其看作是一个由各种力学要素组成的动力系统，结构出现损伤或者是退化时，各项力学指标必然会发生变化，这些指标类似于人的指纹，指纹发生变化，说明发生了一定的损伤，所以这种分析方法也叫动力指纹分析法。第三是模型修正法，这种方法理论上较为直观，但是现实中受到的影响要素太多，实际应用并不多。这种方法需要先根据理论构建模型，然后将相关检测数据来不断对模型进行修正，根据其模型刚度分布情况来确定结构损伤的部位和程度。但是现实中，噪声、外部振动、建模的失误都会造成结论的偏差，所以至今仍没有一个完善的成熟的方案。

三、未来土木工程结构健康监测系统的发展展望

尽管土木工程结构健康监测已经诞生许久，但是由于对其重视程度不够和当前现实客观条件所限，至今在建筑领域仍然属于新兴技术。但是因为现在建筑的结构性破坏越来越多，所以结构健康监测系统拥有非常广阔的发展前景。未来的结构健康监测系统发展应当注重下面的几个方向：首先是信息处理技术的研究。对于土木工程健康监测来说，信息处理有着特别的意义，只进行监测，对其监测信息不能进行合理的处理，监测就失去了效用。近些年来

发展较为迅速也比较成熟的是小波分析技术。小波分析能够识别正常信号中夹带的瞬时反常现象，在结构健康监测领域能够发挥重要作用。其次也是非常重要的就是传感器的优化布置技术。要想对土木工程进行健康监测，无论采用什么样的方法，传感器都是不可或缺的。传感器的布置需要进行优化，研究设置几个传感器，分别设置到什么位置才能让监测取得最有效果。具体来说，传感器的布置应当符合下面的一些条件：控制成本，使传感器设置费用尽可能较少；能够排除噪声等外部的干扰，获得的数据更为科学；对于没有出现损伤，但是出现的疲劳状况也应当能够监测出，对可能损伤的威胁进行合理的评估。当前传感器的适用和优化布置广泛应用于航空航天领域，土木工程领域并不成熟，我们可以充分借鉴航空航天中传感器的应用，开发出传感器在土木工程健康监测系统中的最佳布置方案和技术。

四、结语

土木工程结构健康监测系统对于土木工程的安全性能评价是十分科学和客观的，在未来，人们对各种土木工程的安全性和稳定性要求越来越高，在未来会有非常广阔的发展空间。当前土木工程健康監测系统还并不完善，也没有大范围地普及使用，并且其应用还受到很多因素的制约，但是这种系统的发展已经成为趋势，我们必须要对其进行深刻的研究，寻求出符合社会经济发展和进步的监测系统的应用措施，逐步将结构健康监测系统进行普及，保证土木工程的稳定，提升土木工程的寿命，维护人们的生命安全和财产安全。

【参考文献】

[1]严斌，杨孚衡，苏木标.芜湖长江大桥长期健康监测系统[J].铁道建筑，2012年11期

[2]李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构监测系统的研究状况与进展[J].现代装饰（理论），2014年06期

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