土木工程结构安全性在线评估及监测技术研究_李敏莉.pdf

220土木工程结构安全性在线评估及监测技术研究李敏莉山西同方知网数字出版产业园管理有限公司山西太原030032摘 要：针对土木工程监测方案中存在人工成本高、检测精度较低和无法实时监测等问题，利用分布式光纤布里渊监测技术设计一套在线监测系统，实现土木工程结构的实时监测。利用小波变换对传感器采集的布里渊频移数据进行降噪处理，实现建筑损伤的精确识别：为验证本设计方案的可靠性，比较不同波基的算法的降噪效果。采用波基为 N=3 的小波滤波最大误差为 4.21%，波基为 N=5 的小波滤波最大误差为 3.38%；研究采用波基为 db5 的滤波方案，将其与孤立森林算法进行比较，得出采用 db5 小波滤波方案处理数据相对误差降低了 3.8%。将光纤布里渊频移监测方案与拉压力传感器监测方案的检测数据进行比较，得出采用光纤布里渊频移监测方案其平均误差降低了 5%以上。关键词：土木工程结构；在线监测；建筑损伤识别DOI:10.19569/119313/tu.2023180741 土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断概述1.1 土木工程结构安全性评估土木工程结构安全性评估，就是要对土木工程状态进行全面的安全监测，对各种类型的结构进行检测，根据当前的结构状态，进行准确的测量，并由专业技术人员对所测得的数据进行综合和分析。在进行工程实践时，需要掌握临界失效的具体情况，并将其与临界失效情况进行比较，从而使工程的安全性得到更好的评估。做好安全评价前的准备工作，当前的土木工程结构存在着很大的差别，在进行安全评价时，会受其影响的程度有很大的差别，要仔细地进行安全等级的划分。当可靠度与安全性评估互相作用时，前者的准确性要比后者的准确性高。安全性评估主要是评估施工阶段的早期危险，对在施工阶段中的危险因素进行了科学的分析，并将其分为不同的等级，例如：当一个区域出现情况几率超过0.3的时候，这个几率就会变成1，当这个几率达到“很可能”的时候，就会变成5。其几率在0.030.3的区间内，如果选取0.1的中间数值，则目前的几率级别就是“可能”，如果选取4的中间数值在0.0030.03的区间内，选取0.01的中间数值在0.01的中间数值在“偶然”的几率级别就是3的中间数值在0.00030.003的区间内，选取0.001的中间数值在0.001的中间数值在“不可能”的几率级别就是2的几率级别。如果该函数的可能性在小于0.0003的情况下，如果该函数的中间数值是0.0001，则该函数的可能性级别是“很不可能”，该函数的可能性级别是11。1.2 土木工程健康监测因为建筑经常在使用中，如果不能得到有效的维修，就会对其造成某种程度的破坏。目前，土木工程的内部数据正朝着多样化的趋势发展，在信息的获得的时候，既要对其进行严密的监测，又要保证其获得的数据是有很大的可操作性的，这样，就可以给工程的建设带来更大的稳定。在土木建筑的健康监测过程中，必须要根据建筑的真实状况进行实时的调查，并且要对建筑的损伤进行监测，从而获得有关的内部资料。因为，土木建筑的特点是多种多样的，所以必须要准确地评价它的破坏程度，而在这些因素之中，健康监测所用的时间是最长的。除此之外，土木工程健康监测系统的组成相对比较复杂，而且它的软件和硬件的功能在各个方面都存在着差异，而在这当中，用户接口子系统的最大的作用就是将各种信息进行集成，而子系统的组成方法也比较简单，而且具有很强的可操作性，可以对使用者的需要进行充分的解决，并以各种方式和功能进行了合理的安排，给后续的检索工作带来了很大的方便。此外，还可以将采集到的数据进行集成，为使用者进行多种形式的服务，为建设项目的安全评价工作奠定了可靠的理论依据，同时，有关工作人员也可以按照评价的构架进行日常的维修，为该体系的稳定运行奠定了坚实的基础。1.3 土木工程健康诊断土木工程结构会受到诸多内外因素影响，并且始终处于运行状态，故而为确保施工顺利开展，便需对其开展健康诊断工作，通过掌握健康针对关键指标，同时针对结构损坏位置开展实时检测，随后将监测数据传输至终端设备，能够确保工程结构损伤程度诊断准确性，同时定位损伤位置，为后续维修工作提供良好保障。在针对土木工程结构开展健康诊断工作时，需对结构周边环境变化加以监测，同时对比参数条件，随后以此为基础，对结构损伤情况展开深层次分析研究。2 土木工程在线监测方案鉴于土木工程结构涵盖范围较为广泛，而其检测周期又比较漫长因此，在目前条件下，如何更好地进行建筑物的实时检测已是当务之急。本文拟采用分布式的光纤布里渊传感技术，对建筑物的结构进行传感，并利用小波分析方法，对布里渊移频信号进行去噪声，从而达到对建筑物内部结构的需求和气温变化的在线监控。结土木工程221合当前的土木结构实时监控项目，项目拟开展基于光纤通信的 Briggen传感器的数据收集与分析，通过分析布拉格 Bragg传感器对 Brigg传感器的作用机理，提出基于 Bragger传感器的新型传感器的理论与方法。布里渊频移受周围环境的干扰，需要对其进行有效的处理，利用小波分析技术对其去噪声，可以极大地提高对土木地质资料的探测精度。另外，在监控算法建模过程中，可以对光纤智慧共线系统进行集成，将光缆材料机械性质和在建筑内部的实际分布情况在数据库中进行整合处理，然后利用强光功率分析，对异常点到收集点的距离进行分析，以保证异常的位置准确的定位，最终，利用运营平台对异常点进行标准化、协议化处理2。3 土木工程应变在线监测方案针对土木工程中需要长期观测墙体的温度、变形等信息，对稳定可靠的监测方法提出了更高的要求，本文拟将基于分布式光纤的布里渊移频技术应用到建筑物的监测中，通过对布里渊移频信号的小波变换去噪声，实现对建筑物的变形、变形、变形等信息的实时监测。（1）将分布式光纤布里渊监测技术应用于楼宇，将光缆与楼宇相连，楼宇内各构件变形或气温异常，光缆也将随之改变，从而引起光在光纤中传播的布里渊移频的改变，利用布里渊移频和光源的变化，精确地确定建筑物中的各种缺陷位置。（2）在对光缆布里渊移频率信号进行检测时，由于安装工艺和仪器材料等因素造成的错误，采用小波变换、洛伦兹拟合等方法，对测试结果进行了分析，以提高测试结果的准确性，并对测试结果进行了分析，以探讨长期测试的效果。3.1 分布式光纤布里渊检测方案针对目前我国土木工程中普遍存在的安全隐患，本项目拟研究一种新型的基于光纤Brightning技术的新型结构状态检测和损伤辨识技术。利用光路中布里渊散射特性的变化，实现对温度、形变的精确测量，进而实现对光路的精确测量。在布里渊检测方面，通过在光纤两端同时注入探头和抽运光，研究布里渊光频差，建立布里渊位移与建筑物温度、变形等参数之间的相关性，得到任意位置的温度、变形等参数。然后，建立布里渊移频与建筑物温度、变形等参数之间的关系，得到建筑物的布里渊移频。在一条光导光纤的传输过程中，存在着两类对传输过程具有显著影响的物理过程：热传导和光弹效应。温度和应变水平对构成该结构的SiO2的折射率，弹性模量，泊松比，密度等的作用，均可用一种单一的变量表示，完整的布里渊移频如公式（1）。因为布里渊移频既受温度又受物质变形的影响，所以在物质温度或物质变形不变的情况下，可以根据传输在光纤中的光信号的布里渊频移转换量以及强度的改变，其中需要探测的地点到探测光源的距离如式2所示。公式中：Z表示被测点到被测点的距离；c是光导光纤中的传输速率；n是光纤的构成物质硅石的折射指数；t是光束通过光纤所需的时间。当光纤的温度恒定时，其布里渊移频的二阶表达见式（3）。式中：C表示布里渊频移对于装置材料的物质变形的灵敏系数；UB0是布里渊频移的起始值，光纤变形在受力条件下光纤初态；为光纤的初始变形到目前为止的变化情况。这样，当光纤材料变形度保持不变时，它的布里渊移频的两级展开式类似于（4）公式。公式中：CT为器件材料的布里渊频移与其温度的关系；T和T0表示光纤的初始温度及光纤的初始温度。将（3）、（4）式联立，得到了（5）式中，温度、变形与布里渊移频之间的二变量关系。根据公式（5），利用光纤路径上的布里渊频率偏移，实现对空间内的温度和形变进行有效的监控，提高了土木工程的监控水平。（1）（2）（3）（4）（5）3.2 布里渊频移数据的滤噪处理利用布里渊分布型光纤传感器对散射信号布里渊频移进行分析，研究其时间-空间特征，获取光导路径上不同部位的温度、变形等信息。本项目提出了一种基于光纤通信技术的新型传感技术，利用光纤通信技术，利用光纤通信技术，将光纤通信技术引入到建筑物内，利用光纤通信技术，对建筑物进行实时监控。目前，我国的城市建设普遍存在着粗放型的特点，这种粗放型的建设方式会对光路产生一定的影响，使得所获得的频率偏移信号的信噪比偏低，因此必须对其进行去噪声处理。本项目拟采用小波去噪技术，从大量的信息中获取局部特征，并在小波域判别信噪比。小波变换是一种将时间域转换应用于资料处理的方法，能够对资料进行多尺度的分析。小波转换的生成函数必须满足某些积分的边界条件，如公式（6）所示在上述公式中，(x)是小波变换生成函数，并可 Fourier边缘求和得到函数()，在上述小波变换生成函数中，可将该函数图像进行拉伸、收缩、平移等处理，从而得到小波函数的通用公式a,b(x)，该通用公式如（7）所示。在这个公式中，a和b分别是小波函数的图像扩展和移动函数的系数，通过傅立叶变换可以得到函数a,b(x)，然后就可以确定它的位置，它的位置是受 a和 b的影响的，在这个公式中，小波函数的定义如公式（8）所示其中，WTX(a,b)表示函数f(x)在土木工程222小波基函数a,b(x)方向上的解析结构，(x)、(x)同为共轭函数，因为在计算的时候很难进行无穷精度的分割，所以，函数比例系数 a应该按照幂级数进行离散，函数的伸缩系数b应该按照平均的方法进行离散，它的解析函数是离散化的小波变换j,k(x)，如（9）所示。在上述公式中，通用公式（10）可以由j,k(x)平移-伸缩性转换获得。利用式（10）的离散型小波，可以对光纤设备检测的布里渊频移数据进行高效的处理，这种通式可以将存在的噪声数据降低到最小，从而保证了变形和温度数据的监测精度可以获得极大的提高。（6）（7）（8）（9）（10）4 模拟仿真实验由模拟仿真实验可知，在此基础上，我们将对光纤路径上的各种载荷施加到布里渊上，并对其进行布里渊偏移，利用 N=3和 N=5的波基小波对获取的资料进行滤波，由此产生的小波转换可以提高资料的预测精度。对于不带滤波器的小波，其最大偏差为17.82%，对于 N=3的波形，其最大偏差为4.21%；根据上述分析结果，选取了5个小波作为最大值，最大值为3.38%。研究表明，小波滤波器能较好地降低测试数据的误差；由于采用了 N=5的基点，因此对该数据进行了更高效的处理。为了精确地解析各种滤波方法的实用效应，采用db5小波滤波算法，并利用森林算法，对未经滤波的资料进行相关错误率的运算，所得结果详情见图2。通过图2可知，其中db5小波滤波处理数据预测误差为实线表示，其最大达到2.%，孤立森林滤波处理数据误差一短横线表示，其最大值达到6.1%。未经过滤波处理数据使用虚线表示，从得到的错误资料可以看到，利用 N=5的波基进行小波滤波器可以有效地对噪音资料进行滤除。在此基础上，根据试验结果，针对轨道的扩展形变，分别采用了张紧法和布里渊频移法两种方法，检测结果详情见图3。由图3可知，短横线表示钢轨上的载荷数据，该载荷是由牵引力传感器监测；虚线表示在钢轨载荷中使用的光纤布里渊频率偏移监测方；实线是测试时实际施加在钢轨上载荷，由图3可知，利用布里渊频率偏移法进行载荷的测量，其测量的精度在3%以内，具有很好的稳定性；在重载情况下，使用拉力式传感器进行监测的方法有很大的偏差，平均偏差约为8%。图2 不同滤波方案误差图3 不同方案检测结果5 结论 本文利用小波技术对采集到的数据进行去噪声处理，并对其进行了测试，结果表明：（1）在测试过程中，通过不同类型的波基小波法的比较试验，发现当 N=3时，采用小波法的最大偏差只有4.21%；根据上述分析结果，选取了5个小波作为最大值，最大值为3.38%，使用小波过滤方法，能够显著地减少信号的误差；在选取了 N=5的波基参量后，对资料的过滤效果更好。与采用db5波基的小波滤波法比较，采用db5小波滤波法的数据预测结果，其预测结果的预测结果在3.8%左右。所以，在小波滤波器的基础上，以db5为基础，可以更加准确地探测；（2）为对墙体变形精度进行分析，本文以钢轨替代墙体进行了仿真试验，结果表明，在荷载作用下，使用该方法的荷载作用下，观测结果表明，该方法具有很好的稳定性，平均不超过3%；在重载情况下，使用拉力式传感器进行监测的方法有很大的偏差，平均偏差约为8%。由此，本文所提出的布里渊频移光纤测量方法能够更加精确地对建筑物进行测量。参考文献：1 李嘉顺.加强土木工程结构设计安全性的探讨J.工程建设与设计,2022,24:20-22.2 张波.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断研究J.城市建设理论研究(电子版),2019,18:30.作者简介：李敏莉，本科，山西同方知网数字出版产业园管理有限公司，研究方向:土木工程。土木工程