結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)近年來在各行業(yè)發(fā)展迅速，為不同結(jié)構(gòu)的安全性和高效自動(dòng)化運(yùn)行提供了重要保障。中國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需求也日益旺盛。目前，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程超過12萬公里，其中高鐵運(yùn)營(yíng)里程超過2萬公里，位居世界首位，高速列車保有量超過2300列，到2020年，高鐵的運(yùn)營(yíng)里程將突破3萬公里。同時(shí)，中國(guó)30多個(gè)城市建成了4000多公里的軌道交通線路，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到6000公里，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域大有用武之地。
我們把高層建筑、空間結(jié)構(gòu)、大型橋梁、大型交通樞紐、大壩、長(zhǎng)道隧道都作為大型結(jié)構(gòu)，大型結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性與我們每個(gè)人密切相關(guān)。
交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。經(jīng)過30多年的建設(shè)，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速、規(guī)模大，技術(shù)水平高。中國(guó)工程院院士杜彥良介紹，我國(guó)多條高鐵線路達(dá)到“世界第一”：寒冷地區(qū)第一條高鐵——哈大高鐵，第一條穿越沙漠地區(qū)的高鐵——蘭新高鐵，濕熱地區(qū)第一條高鐵——海南東環(huán)高鐵。
在修建交通基礎(chǔ)設(shè)施重大工程結(jié)構(gòu)的過程中，需要適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境。以鐵路為例，高速鐵路需要適應(yīng)黃土、凍土、軟土、膨脹土等復(fù)雜的地質(zhì)條件，以及高寒、高溫、高濕、強(qiáng)風(fēng)等多變的地理環(huán)境。
“由于自然災(zāi)害、人為因素或者是結(jié)構(gòu)本身的性能問題，交通安全突發(fā)事件屢有發(fā)生，一旦某一個(gè)結(jié)構(gòu)損毀，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命財(cái)產(chǎn)安全。”杜彥良解釋，突發(fā)的自然災(zāi)害，如洪水、泥石流、滑坡等，可能導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)意外損毀增多，使用壽命下降。另外，在復(fù)雜的自然環(huán)境下，風(fēng)、雪、地震等因素的長(zhǎng)期作用也會(huì)導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)承載力和耐久性下降，基礎(chǔ)設(shè)施性能退化。
那么，應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施重大工程結(jié)構(gòu)壽命的影響，并提高基礎(chǔ)設(shè)施在長(zhǎng)期“服役”中的安全性、適用性、耐久性和災(zāi)后自康復(fù)性呢？對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，保障重大結(jié)構(gòu)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)。
健康監(jiān)測(cè)是指實(shí)時(shí)掌控工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程的事故隱患，并及時(shí)采取措施，其中包括自然災(zāi)害的立體監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)等?！敖Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感、數(shù)據(jù)采集、通信和智能識(shí)別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)荷載與結(jié)構(gòu)反應(yīng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、評(píng)價(jià)、預(yù)警預(yù)報(bào)于一體的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化綜合系統(tǒng)。”
從國(guó)家來說，高度重視結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的發(fā)展，從國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃來說制定了多個(gè)措施保證安全狀態(tài)，最關(guān)鍵的是幾個(gè)方面：一個(gè)是在在結(jié)構(gòu)安全期的狀態(tài)如何保障;二是如何進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，包括技術(shù)理論和裝備的研發(fā)。第二個(gè)問題是交通部，交通部也在對(duì)各種重大工程結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，這里面的第一個(gè)關(guān)鍵問題就是實(shí)時(shí)掌控結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)它的事故隱患，及時(shí)采取措施。包括自然災(zāi)害的立體檢測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，這塊是交通部近年來的重大課題。
從鐵道系統(tǒng)，因?yàn)槲覈?guó)鐵道系統(tǒng)發(fā)展迅猛，特別是高速鐵路的迅猛發(fā)展，如何保證整個(gè)全線運(yùn)營(yíng)安全也是當(dāng)今和未來發(fā)展的重點(diǎn)，這里面主要是對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施的重大工程結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)的安全性和發(fā)展進(jìn)行實(shí)時(shí)掌控。第二是在運(yùn)行過程中事故起件、突發(fā)災(zāi)害的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。比如地震突發(fā)時(shí)如何提前捕捉它的信息，提前導(dǎo)致列車緊急制動(dòng)。比如日本提前15秒獲得地震信息提前緊急制動(dòng)避免生命財(cái)產(chǎn)的損失，所以說這塊也是我們研發(fā)的重點(diǎn)。
工信部在中長(zhǎng)期和十二五以來對(duì)信息的感知、信息傳輸、信息處理、信息安全方面開展行動(dòng)，為今后大型工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和其他發(fā)展創(chuàng)造了很好的基礎(chǔ)。目前信息化、工業(yè)化兩化的融合為大型交通基礎(chǔ)設(shè)施、為大型交通工程的安全性進(jìn)一步提供了保障。
對(duì)一個(gè)大型工程結(jié)構(gòu)來說，從它的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)到損傷、老化是全壽命的，全壽命過程中如何保障它的安全性，我們采取了在使用過程中的監(jiān)測(cè)，在運(yùn)用過程中的連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握它的健康狀態(tài)。從測(cè)試分析到結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)的維護(hù)形成完整的全壽命過程的保障，就像醫(yī)生給人看病一樣，我們對(duì)結(jié)構(gòu)也建立了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
我們一般分成三大部分，一是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用什么樣的傳感技術(shù)能夠完整、長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、連續(xù)地獲得信息;二是信息的處理與傳輸部分，這部分保證對(duì)信息實(shí)時(shí)、快速傳到監(jiān)控中心;三是對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，對(duì)它的損傷程度、損傷位置進(jìn)行識(shí)別，做出判斷;四是養(yǎng)護(hù)維修進(jìn)行修護(hù)，這就構(gòu)成我們結(jié)構(gòu)的安全系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)涉及到多學(xué)科，既包含對(duì)結(jié)構(gòu)專業(yè)人員，也涉及到計(jì)算機(jī)信息處理的人員，這塊健康結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)就結(jié)合起來了。
這樣的話依據(jù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)的需求以及當(dāng)今科技手段，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)字化和信息化，推動(dòng)主動(dòng)式養(yǎng)護(hù)與管理進(jìn)步，有效提高和保障結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)的檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)和管理水平，降低全壽命期運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)安全使用壽命意義重大。一個(gè)工程結(jié)構(gòu)我們百年設(shè)計(jì)，如何在百年過程中保障安全，延長(zhǎng)使用壽命就是我們當(dāng)前所需要做的重要工作。
在國(guó)際上，大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)一直受到高度重視，美國(guó)、法國(guó)、日本、丹麥等國(guó)家在一些特大橋梁上建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全狀態(tài)，并實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)自然災(zāi)害突發(fā)后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，確保交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)安全。
我們國(guó)家從上個(gè)世紀(jì)末也開始開展健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，雖然時(shí)間短，但是發(fā)展快，隨著我國(guó)大批大型工程建設(shè)，大型交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)如何保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，如何保證運(yùn)營(yíng)安全成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的任務(wù)。
