A Summary Review of Recent Advances in Research on Structural Health Monitoringfor Civil Engineering Structures
王春濤WANG Chun-tao（南昌大學科技學院，南昌330000）（Nanchang University College of Science and Technology，Nanchang 330000，China）
摘要院對于經過長時間運行的結構，以及經歷了各種災害影響的結構，其安全性備受關注。結構健康監(jiān)測可較好地評估結構的安全性。結構健康監(jiān)測的核心是結構損傷診斷，對損傷診斷各種方法進行了匯總分析，并對今后的結構健康監(jiān)測和損傷診斷進行了展望。
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.
關鍵詞院結構工程；結構健康監(jiān)測；綜述；損傷識別
Key words: structural engineering；health monitoring；review；damage diagnosis
中圖分類號院TU317 文獻標識碼院A 文章編號院1006-4311（2014）02-0063-020
引言很多大型土木工程結構在受到各種災害時，其結構的可靠性會下降；即使沒有經歷大型災害，很多結構因為經歷了長時間的運行，受到環(huán)境侵蝕、材料老化、荷載效應等影響，其結構也會受到一定損傷，使抵抗自然災害、正常荷載以及環(huán)境作用的能力下降。一旦結構關鍵構件的損傷積累到一定程度，可能導致整個結構的突然毀壞，從而引發(fā)災難性的突發(fā)事故。因此，及時監(jiān)測結構的健康狀況，對結構早期損傷進行維修，保證結構性能從而延長結構壽命，是保證人民生命財產安全的重要途徑。所以，結構健康監(jiān)測成為了當前國內外研究的熱點。
1 結構健康監(jiān)測概述1.1 結構健康監(jiān)測的含義結構健康監(jiān)測(StructureHealth Monitoring,簡稱SHM)技術是根據探測到的響應，結合系統的特性分析，通常在判斷結構損傷的嚴重性和損傷的位置時會使用到這項技術。結構健康監(jiān)測的基本思想是通過測量結構在超常荷載前后響應的變化來推斷結構特性的變化，進而探測和評價結構的損傷和位置，或者通過持續(xù)監(jiān)測來發(fā)現結構的長期退化[1]。
未導入結構健康監(jiān)測系統的結構會隨著結構使用年限的增加而下降它的可靠性，同時它的維護成本也會加大；但是已經導入結構健康監(jiān)測系統的結構的可靠性一直很穩(wěn)定，其維護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、損傷控制及修復技術，具有重要意義。
1.2 結構健康監(jiān)測系統的組成結構健康監(jiān)測是從實測的結構動力響應信號中提取結構的參數和/或與結構參數有關的指標并由此推斷結構的損傷，是傳統結構動力學的反問題，是傳感器技術、信號處理技術、結構動力學、概率統計、自動控制和數據庫等技術的交叉領域。
結構健康監(jiān)測系統可以劃分為在線測試、實時分析、損傷診斷、狀態(tài)評估以及維護決策等5 個部分[2]，其中，結構健康監(jiān)測的基礎是損傷識別，結構健康監(jiān)測的核心是損傷定位與定量，在結構健康監(jiān)測中，損傷識別和損傷定位是最困難也是最關鍵的。
2 損傷識別和定位的研究現狀因為基于結構動態(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構部位，操作簡單、快捷、經濟等優(yōu)點，所以得到了廣泛應用，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識別方法；第二類是基于神經網絡的方法；第三類是基于應力波理論的方法，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、加速度時程記錄、頻率響應函數“（FRF）等構造方程誤差，通過條件優(yōu)化約束，不斷地修正模型中的剛度分布，從而得到結構剛度變化的信息，實現結構損傷判別與定位?；谟邢拊Ｐ托拚A上的結構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]；盂控制基礎上的損傷識別方法[5]。
目前神經網絡技術得到了廣泛的應用，也給結構損傷識別帶來了新的發(fā)展機會。因為神經網絡技術反映的是一種網絡輸入與輸出的非線性映射關系，可以避免一般有限元模型修正基礎上的損傷識別方法要求必須建立結構物理參數與結構響應之間的函數關系以及因此可能帶來的一些問題，因此能被廣泛地應用于有限元模型修正及基于有限元模型修正基礎上的損傷識別當中。除此之外，一種無模型的損傷識別方法也獲得了相應的進展。這類方法一般不采用結構有限元模型，希望只通過結構響應變化進行結構損傷識別，并相應提出一些損傷指標。在基于結構動態(tài)特性的損傷診斷方法中常用的損傷指標有：MAC（模態(tài)保證標準）[6]、COMAC（坐標模態(tài)保證標準）[7]、頻率[8]等。
3 結構健康監(jiān)測的工程應用與展望從20 世紀80 年代中后期開始，美國開始在多座梁上布設監(jiān)測傳感器，為了驗證設計假定、監(jiān)視施工質量和實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、結構振動和局部應力狀態(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、粘貼了大量的應變片和安裝了一套GPS 系統，用以監(jiān)測橋梁的服役安全性?；㈤T大橋安裝了一套GPS 系統、在箱形橋面梁內粘貼了應變片，用以監(jiān)測整體變形和局部應變。
結構健康監(jiān)測在土木工程領域還只能算剛起步，能用于實際工程的成果較少。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構的模態(tài)識別方法具有重要意義。由于結構健康監(jiān)測的很多理論是從機械行業(yè)移植過來，但畢竟土木和機械學科不同，有許多理論可能并不適用，因此，需要研究適合土木工程結構的模態(tài)識別方法。
于加強整個監(jiān)測系統的耐久性。目前的大部分工作集中在提高損傷識別和定位的準確性上，但監(jiān)測是長期工作，監(jiān)測系統（包括傳感器、數據傳輸系統、數據處理系統）在長期使用中如果出現錯誤，將導致整個監(jiān)測的失敗。
盂研究更加合理的算法，使實時監(jiān)控所得的數據通過算法能得到有用的結論以評估結果的安全性。
榆建立結構健康監(jiān)測的安全性標準，只有形成明確的標準，才能根據監(jiān)測結果明確判斷結構的安全性。
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