浅谈土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法.pdf

安徽建筑 2 0 1 4年第 3期 ( 总 1 9 7期 ) 浅谈土木工程结构的性能监测系统与损伤识别方法 Di s c u s s i o n o n Co n d i t i o n Mo n i t o r i n g Sy s t e m a n d Me t h o d o f Da ma g e Re c o g n i t i o n f o r Ci v i l En g i n e e r i n g S t r u c t u r e s 李晓明 ( 枣 庄 学 院 城 市 与 建 筑 工 程 学 院， 山 东 枣 庄 2 7 7 1 6 0 ) 摘要 ： 目 前， 土木工程结构的性能监测系统都是针对特定结构物进 行单独设 计 ， 然 而， 我 国的土木工程 结构的性 能监 测 系统与损 伤识 别 的方法还存在很 大的问题 。因此 ， 研 究土木工程结构的性 能监测 系统 与损伤识别的方法具有非常重大的意义。文章介绍了木工程结构的损 伤检 测， 并且阐述 了木工程结构损伤识别 中存在的主要一些问题。 关键 词 ： 土木工程结构； 性能监测； 损伤识别 中图分 类号 ： T U3 1 1 2 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 0 1 4) 0 3 0 2 0 3 0 2 0 引 言 近年来 ， 我 国对土木工程结构 的性 能监测系统 的方法 主要 是利用传感器 、 信息处理和有限元及人工智能等技术。因为土 木工程结构的性能监测系统能够为土木结构的性能提供很大 信息， 以便对其结构损伤进行及时修护， 进而为土木结构 的维 护和管理决策提供可靠的信息。在我国， 结构的性能监测技术 在航天航空等领域早已取得了较大的成就。 但是结构的性能检 测在土木工程领域应用的比较晚 ， 当然， 土木工程结构的性能 监测 系统 已经得 到充分 的重视 和推广 。 1 土木工程结构的损伤检测 土木工程的结构损伤识别主要是通过对结构的关键性能 指标进行测试和分析， 进而判断土木工程的结构是否受到损伤 的过程。目前， 土木工程结构的损伤识别主要包括以下四个层 次： 结构是否发生损伤； 对损伤的定位； 对结构损伤大小进行评 价； 对结构的剩余寿命进行估计。 1 1局部检测方法 对土木工程结构的性能监测系统的方法之一就是局部检 测法。 局部检测法主要包括目测法 、 声发射法、 射线法和超声波 技术等。 同时， 局部检测法还需要预先知道结构损伤的位置， 并 且对检测仪器的要求也比较高， 尤其是对于一些大型复杂的设 备结构， 局部检测法就无法检测f l J 整体结构的损伤信息， 这也 是局部检测法 的最 大缺点之一 。 1 2整体 检测方法 对土木工程结构的性能监测系统的方法还包括整体检测 法。 整体检测法是指利用损伤发生前后结构参数特性的改变进 而诊断出结构损伤的方法。 整体检测方法具体可以分为以下几 种 。 动力指纹法。 动力指纹法赴指从动力测试中获取的含有 结构特性的信息， 主要通过分析与结构动力特性相关的动力指 纹变化来判断结构 的真实状况 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 3 2 4 作者简介： 李晓明( 1 9 8 6 一) ， 男， 山东临沂人 ， 硕士； 助教 ， 主要从事隧 道 支护研 究和 交通 土建方 面的教 学工作。 模型修正法。模型修正法主要利用动力试验数据， 进而 通过条件优化约束 ，不断地修正结构模型的刚度分布情况 ， 进 一 步得到结构刚度变化的信息 ， 然后就能实现结构的损伤判别 与定位。这种方法在处理子结构的损失方面具有很多优点。 神经网络法。 人工神经网络是指对人脑和自然神经系统 进行的抽象和模拟。 神经网络法是由大量处理单元相互联结组 成， 按照一定的连接而获取信息的联系模式。 遗传算法。 遗传算法主要是指从一组随机产生的初始解 进行搜索， 进而检测出整体损失的一种方法。 因此， 整体检测法 是土木工程结构的性 能监测 系统 的主要方法。 2 土木结构损伤识别 中存在的主要 问题 近年来 ， 我国已经对土木工程结构性能检测的研究投入很 大的资金， 并且结构损伤的识别已经发展成为土木工程领域一 个重要的研究方向。但是 ， 由于我国的试验测试技术和现场条 件的限制等， 结构损伤识别技术的发展受到了很多方面的制约 进而发展 比较缓 慢。 2 1结构模型 出现 了误差 目前， 人们对木工程结构中出现的损伤进行的预测都是在 一 定的基本条件下进行的， 一般在规定的条件下 ， 必须将客观 的系统抽象为具有一定模型形式和参数的数学模型。当然 ， 针 对具体的土木工程结构系统 ， 在进行模型化的过程中， 由于系 统的复杂性导致了很多随机性的出现。 结构模型误差的产生主 要是由于结构的复杂性 ， 进而必须要将引入的结构链接和边界 条件等进行一定的简化和假定等， 这就导致结构模型不能准确 地反映结构内部的一些细节问题 ， 进而导致结构模型出现了很 大的不完备性。 当然， 随着科学技术的不断进步， 一些新的试验 方法能够减少结构模型产生的误差 ， 但是这种误差是不可能完 全被消除的。随着新理论和新模型的出现， 对土木结构的性能 也能进行更加精确的检测 ， 同时这也是通过结构识别方法而改 进结构模型的主要 目的。由于土木工程结构模型误差的存在， 如果不对这些误差进行仔细地分析 ， 就会进一步造成处理结构 损伤识别的问题。因此 ， 结构模型出现的误差是土木结构损伤 识别中存在的主要问题之一。 2 2实测数据 的不完整性 土木结构损伤识别中存在的问题还包括实测数据的不完 整性。 由于很多土木结构损伤的识别方法假定结构模型具有相 同的自由度和实测自由度， 在实际结构中， 再加上条件上的限 制， 就会造成实测数据的不完整性。实测数据的不完整性主要 是由于结构测试传感器大多只能布置在一些有限的位置上， 尤 其是对于一些复杂的结构， 传感器安装的就更加稀疏。 同时， 实 测数据的不完整性还无法给结构损伤识别提供有用的信息， 这 种条件也在一定程度上加剧了识别问题产生。因此， 实测数据 的不完整性是土木结构损伤识别中存在的非常重要的问题。 2 3实测数据的不精确性 检 测 、 试 验 与 澳 4 量 技 术 安 徽 建 筑 国 匡 2 0 1 4年第 3期 ( 总 1 9 7期 ) 安徽建筑 检 测 、 试 验 与 测 量 技 术 安 徽 建 筑 圈 在对实测的数据进行进一步的采集和处理的过程中， 由于 电子信号的随机误差存在， 并且传感器由于质量问题也会带来 一 定的系统误差， 进而造成信号处理或识别技术具有非常大的 不精确， 这些都被认为是实测数据的不精确性造成的误差。在 对土木结构进行损伤识别的实际过程中， 为了使实测 自由度和 模型 自由度尽可能地匹配完整， 一般都采用模型缩聚和模态扩 展的方法， 进而就会导致一些误差的出现， 这同样也是实测数 据不精确性造成的误差。 数据误差的存在还可能会掩盖因结构 特性改变而引起的结构改变 ， 进而就会 导致检测 系统无法进行 对损伤识别。当然， 在对土木结构的损伤识别进行研究的过程 中， 有些因素是完全无法避免的， 也是所有损伤识别方法无法 消除的问题。因此， 这些因素成为限制结构损伤识别进一步发 展和应用的关键。目前， 对于一些方法仍无法较好地解决实测 数据不精确性的问题， 我们应该进行更多的研究。 3 结语 通过对土木工程结构的性能监测系统的结构和损失识别 的方法进行研究。目前， 仍很多问题需要进行具体的解决， 尤其 是对于土木结构模型 出现 的误差 、 实测数据 的不 完整性 和实测 数据的不精确性等， 我们应该加强研究并解决这些问题。 同时， 我们还可以吸取其他结构监测领域内的先进方法， 进而对土木 结构性能检测系统进行更好的改造。因此， 现阶段研究土木工 程结构的性能监测系统与损伤识别的方法具有非常重大的现 实意 义 参考文献 1 彭细荣， 李涛， 路新瀛 通用土木工程结构健康监测系统平台f J 工程 抗震与加固改造，2 0 1 3 ( 1 ) 2 冯新， 李 国强， 周晶 土木工程结构健康诊 断中的统计识别方法综述 lJ 1 _地震工程与工程振动， 2 0 1 2 ( 2 ) 3 】 王开风， 张谢东 土木工程结构损伤识别研究 J 1 _公路 ， 2 0 1 3 ( 1 ) 4 杨晓明，土木工程结构的性能检测系统与损伤识别方 法研究 D 天 津： 天津大学， 2 0 0 6 5 高毅敏 试析土木工程结构的性能检测系统 【J J 华章， 2 0 1 3 ( 3 5 ) ( 上接 第 2 0 0页) 本次试验主要研究纤维网配网率不同， 保护层厚度不同对 T R C薄板力学性能和破坏形式的影响， 试验方案见表 3 。 板的加载方式及断面形式见图 1 。 3 试验 结果分析 3 1不同保护层厚度的影响 本次试验为了研究保护层厚度对试件性能的影响， 设计了 三种保护层厚度( 5 mm、 7 ra m、 1 0 ram) ， 图 2分别展示 了不同保 护层厚度 T R C薄板的荷载 一挠度曲线。 从图2中可看出随着保护层厚度的增加， 试件的极限承载 能力有所降低。 3 2不同配网率的影响 本试验设计了配置单层网和两层网的T R C薄板来观察配 网率不同对试件性能的影响， 图3分别展示了不同配网率 T R C 薄板的荷载 一挠度曲线 ( 其中曲线 1 、 6为铺一层纤维网的薄 板 ， 曲线 4 、 5为铺二层纤维网的薄板) 。 从图 3中可以看出，提高配网率能有效地提高 T R C的力 学承载力 。 4 T RC轻质墙板的有限元分析 4 1 有 限元模型的选取 本文是对墙板试件进行模拟 ，主要考察墙板的抗弯性能。 墙板中精细混凝土裂缝的开裂过程，属于相互作用的微观机 理， 故而， T R C精细混凝土和纤维网采用分离式模型， 选取单元 S o l i d 6 5 + L i n k 8 进行 A N S Y S 建模分析。 4 2 T RC轻质复合墙板的数值 结果模拟分析 4 2 1 面板厚度影响分析 本文对面板厚度分别为 1 5 ra m和 2 0 ra m、 跨度为 2 0 0 0 m m、 宽度为 6 0 0 m m的轻质复合板材进行抗弯性能分析。研究发现 墙板首先在跨中和墙板两端出现裂缝，随着荷载的不断增加， 裂缝布满整个墙板， 两种不同厚度墙板破坏时裂缝分布状态基 本相同。 复合墙板随面板厚度的增加 ， 使得抗弯承载能力提高 ， 但是对于墙板整体的破坏形式基本上没有影响。 4 2 2芯材厚度影响分析 本文分别设计芯材厚度为5 0 ram和 6 0 ram、 跨度为2 0 0 0 mm、 宽度为 6 0 0 m m的轻质复合墙板数值模型进行抗弯性能分析。 分析结果表明， 芯材厚度大的板材开裂挠度越大， 随着荷载的 逐级增大 ， 芯材厚度大 的墙板提 高了板材 的承载能力 ， 减 少了 挠度， 但变化量较小。说明芯板厚度的增加能够提高墙板的承 载能力 ， 如果使用结构芯材 ， 则能够更为明显地提高复合板的 抗弯承载能力， 但两种不同芯材厚度墙板破坏时裂缝分布状态 基本相同。 5 结论 本文通过四点弯曲试验研究了不同保护层厚度 、 纤维网 不同铺设层数对T R C构件的弯曲性能的影响。试验结果表明： 保护层厚度增大， 可提高外围精细混凝土的劈裂抗力， 提高纤 维 网与精细混凝土的粘结力 ， 但极 限承载力 随之 降低 。提 高配 网率能有效的提高T R C的力学承载力。 本文主要针对 T R C轻质复合墙板的面材厚度、芯材厚 度两个方面建立了有限元模型， 进行了数值模拟分析。根据模 拟结果详细分析了每一种控制因素对墙板的挠度、 裂缝开展状 况和对复合板材抗弯承载能力的影响进行了归纳总结。 模拟分 析表明： 复合墙板面板厚度的增加、 芯材厚度的增加均使得抗 弯承载能力提高。 参考文献 1 何 书锋 复合墙板在钢 结构住宅 中的构造技术研究 D 】 济南 ： 山东 建筑 大学， 2 0 0 7 2 尹世平， 徐世娘 纤维编织网增强混凝土的拉伸力学模型 J J 复合 材料学报， 2 0 1 2 ( 5 ) 3 李 赫， 徐世娘 纤维编织网增强混凝土薄板力学性能的研究 J 建 筑结构学报， 2 0 0 7 ( 4) 【 4 J C u r b a c h MP r o c e e d i n g s o f t h e 2 n d C o l l o q u i u m o n T e x t i l e Re i n f o r c e d S t r u c t u r e s ( C T R S 2 ) c D r e s d e n ， G e r ma n y ：Dr e s d e n U n i v e r s i t y o f T e c h - n o l o g y ， Co l l a b o r a t iv e Re s e a r e h Ce n t r e 5 2 8 ， 2 0 0 3 蚕