文档介绍：土木工程结构健康监测方法探析
土木工程结构健康监测方法探析
【摘要】介绍了土木工程结构健康监测的重要性及其概念设计,并对各种结构损伤检测方法进行了评述,最后对结构监测的几个重要问题作了展望。
【关键词】结构健康监测;损伤检测;振动参数;智能传感技术
中图分类号: TU71 文献标识码: A

工程结构自建成后,随着服役时间的增长,不断受环境侵蚀和各种荷载以及自然灾害等的作用,若没有适当的维护,将使十木工程基础设施的状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。检测已有建筑物或桥梁等结构在一些灾害性事件(如地震、台风、爆炸等)后的健康状况,通常是很费时的,因为关键性的结构构件或节点一般都在外覆物或建筑装饰物的下面。

一、土木工程结构长期健康监测系统的概念设计

结健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应,以达到检测结构损伤或退化的一些变化图。土木工程结构的健康监测已经成为土木工程学科研究和发展的一个重要领域。
结构长期健康监测系统应能够对结构从设计施工、竣工投入使用一直到结构的整个服役期的运行状态进行监测和评估。施工阶段是否是严格按照原始的设计来完成的、投人使用后是否是在正常荷载情况下工作的、在一次偶然事件如地震、台风或爆炸等作用后结构是否有损伤、整体的工作状态如何等,这些都是需要回答的问题。
理想的健康监测与损伤识别技术应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤,在传感器精度允许的情况下确定损伤的位置,估计损伤的程度,并预测出结构的剩余有效寿命。理想的损伤识别方法应该具备的另一重要性能是,能够区分结构建模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差间的区别。尽管近几年出现了一些运用较为成功的整体监测技术,但对于如何从量测得到的信息来解释结构的安全状态及损伤情况,却远未建立起完善的科学理论。对复杂结构的整体监测仍然是土木工程领域面临的一大挑战。

二、结构损伤检测基本方法

结构的固有频率是表示结构固有特性的整体量,当结构的局部出现损伤时,结构的固有频率将发生变化,随着刚度的降低,结构的固有频率将会增大。正是由于这一特性加上结构固有频率易于测量和测量误差小,很多研究者将结构的固有频率作为结构损伤识别的损伤标示量。但是,利用频率作为损伤诊断的标示量也存在一定的局限性:
(1)对损伤位置的不敏感性。不同形式的结构损伤可能引起相同的频率改变,在对称结构中,两个对称位置上结构相同程度的损伤将引起结构固有频率相同的改变。
(2)结构不同位置损伤对结构各阶固有频率的影响不相同。有的位置的损伤对低阶频率影响较敏感,对高阶频率则不敏感;有的位置损伤则对高阶频率影响敏感,对低阶不敏感。在实践中容易测得的结构固有频率是前几阶低阶频率,高阶频率则不易测出。用频率作为结构损伤标示量对结构某些位置的损伤不易探测到。

相对结构固有频率而言,结构的固有振型包含了更多的损伤信息,特别是对结构损伤进行定位,利用结构固有振型要更加准确。国内外众多研究者运用结构固有振型作为损伤标示量对结构的损伤问题进行了研究。大量试验表明,基于结构固有振型变化的损伤识别方法可以得出以下基本结论:结构振型对结构的局部变化较为敏感,可以用来确定结构模型误差和