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结构健康监测与损伤检测综述
日期:2017-8-8 9:57:32 作者:佚名 来源:本站原创
新闻中心

1. 引言

近年来,随着中国经济高速的发展,住宅,商业楼,基础设施的建设也随之加快了脚步。如今新的住宅小区,办公楼比比皆是,这也提醒我们注意到了这样一个问题:任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护[1]等因素的影响而失效,如何保证这些建筑的使用效果,也就是说在其使用期限内,如何及时监测到结构的损伤以便采取相应的措施进行加固。工程结构自建成后, ,若没有适当的维护,将使结构状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。除了房屋外,一些重大土木工程结构,如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等,在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题,与人民的生命财产息息相关,已经引起人们的广泛关注。上述重要结构在经历了极端灾害性事件后,立即对他们的健康状况做出评估是非常必要的,实时地监测和预报结构的性能,及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度,预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定,合理疏散居民,对提高工程结构的运营效率,保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。例如,由于缺乏维护,美国联邦公路管理局(FHWA) 声称,到2003 年为止,美国27.1%的桥梁有结构缺陷或功能退化,而对所有59万多座桥梁进行更新和适当修复,需要今后20年每年投资94亿美元。故而,结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。

2. 健康监测概述

结构健康监测(Structural Health Monitoring,简称SHM)指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的[2]。健康监测的过程包括:通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值,从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子,并对这些特征因子进行统计分析,从而获得结构当前的健康状况[3]。对于长期的健康监测,系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统,能够通过局域网络或远程中心,自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Evaluation,简称NDE)不同,通常NDE技术运用直接测量确定结构的物理状态,无需历史记录数据,诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度[4]。而SHM 技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态,因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。可以说,健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测,转变为在线、动态、实时的监测与控制,这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术,它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。

3. 损伤检测识别标准与方法

损伤识别分为四个等级;第一等级是确定结构中是否存在损伤;第二等级是在第一等级的基础上确定损伤的几何位置;第三等级是在第二等级的基础上对损伤的严重程度进行量化;第四等级是在第三等级的基础上预测结构的剩余使用寿命[5]。迄今为止,基于振动分析的损伤识别方法只能解决等级一和等级二的问题。如果与结构模型联合起来,则可解决一部分等级三的问题。如果要解决等级四的问题,则还需要断裂力学、疲劳寿命分析或结构设计评估等多方面知识。损伤检测与识别大致可分成两种类型:基于振动的方法、静态检测方法。静态测量数据比较直接可靠,但进行数据测量需要进行封闭试验,会影响服役结构的正常使用。振动测试可以在结构处于工作状态下进行,易于把拾振传感器安装在结构深处;用做振动诊断的信号类型多,量值变化范围大,而且又是多维的,便于识别不同类型的故障。随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展,使得数据采集、数据传输以及数据的实时分析技术与处理技术得到提升,这些技术在当今国内外的结构损伤检测中都得到了较好的运用[6]。因此,动态损伤识别方法的研究较多。动态方法按照所利用的特征量是否使用结构模型,可分为无模型识别方法和有模型识别方法两类。无模型方法不使用与结构模型有关的特征量,从振动的时程、频谱或时频分析推导而来[7],但由于土木工程结构规模庞大,难以对损伤进行定量研究。有模型方法使用结构模型,基本是有限元模型,使用的是与结构模型有关的特征量,包括固有频率、模态振型、曲率模态及有限元模型信息等,该方法能克服使用无模型方法的局限性,因此正越来越得到研究者的关注。
    4. 动态检测方法的基本方法原理

利用结构的振动响应和系统动态特性进行结构损伤探测是目前国内外研究的热点和难点。这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息、与损伤结构的振动响应进行比较,从而判断结构损伤的位置和损伤的程度。众所周知,任何结构系统都可以看作是刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统,结构一旦出现损伤,结构参数随之发生改变,从而导致系统的频率响应函数和模态参数(频率和振型等)的改变,所以,结构的模态参数的改变可以视为结构发生早期损伤的标志,成为用振动方法进行结构损伤诊断的切入点。


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