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1. 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展，住宅，商業(yè)樓，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也隨之加快了腳步。如今新的住宅小區(qū)，辦公樓比比皆是，這也提醒我們注意到了這樣一個(gè)問(wèn)題：任何土木結(jié)構(gòu)都會(huì)由于材料本身老化、過(guò)度使用、環(huán)境侵蝕、缺乏維護(hù)［1］等因素的影響而失效,如何保證這些建筑的使用效果，也就是說(shuō)在其使用期限內(nèi)，如何及時(shí)監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)的損傷以便采取相應(yīng)的措施進(jìn)行加固。工程結(jié)構(gòu)自建成后, ,若沒(méi)有適當(dāng)?shù)木S護(hù),將使結(jié)構(gòu)狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。除了房屋外，一些重大土木工程結(jié)構(gòu)，如水壩、橋梁、電廠、軍事設(shè)施、高層建筑等，在遭受地震、洪水、颶風(fēng)、爆炸等自然或人為災(zāi)害時(shí)的安全問(wèn)題，與人民的生命財(cái)產(chǎn)息息相關(guān)，已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注。上述重要結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷了極端災(zāi)害性事件后，立即對(duì)他們的健康狀況做出評(píng)估是非常必要的，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和估計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的位置和程度，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的性能變化和剩余壽命并做出維護(hù)決定，合理疏散居民，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)效率，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有極其重大的意義。例如,由于缺乏維護(hù),美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA) 聲稱(chēng),到2003 年為止,美國(guó)27.1%的橋梁有結(jié)構(gòu)缺陷或功能退化,而對(duì)所有59萬(wàn)多座橋梁進(jìn)行更新和適當(dāng)修復(fù),需要今后20年每年投資94億美元。故而，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2. 健康監(jiān)測(cè)概述

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring，簡(jiǎn)稱(chēng)SHM)指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù)，通過(guò)包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析，達(dá)到檢測(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的［2］。健康監(jiān)測(cè)的過(guò)程包括：通過(guò)一系列傳感器得到系統(tǒng)定時(shí)取樣的動(dòng)力響應(yīng)測(cè)量值，從這些測(cè)量值中抽取對(duì)損傷敏感的特征因子，并對(duì)這些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況［3］。對(duì)于長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的完成預(yù)期功能變化的適時(shí)信息。結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是要發(fā)展一種最小人工干預(yù)的結(jié)構(gòu)健康的在線實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)、檢查與損傷探測(cè)的自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程中心，自動(dòng)地報(bào)告結(jié)構(gòu)狀態(tài)。它與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(Nondestructive Evaluation，簡(jiǎn)稱(chēng)NDE)不同，通常NDE技術(shù)運(yùn)用直接測(cè)量確定結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)，無(wú)需歷史記錄數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果很大程度取決于測(cè)量設(shè)備的分辨率和精度［4］。而SHM 技術(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)在同一位置上不同時(shí)間的測(cè)量結(jié)果的變化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，因此歷史數(shù)據(jù)至關(guān)重要。識(shí)別的精度強(qiáng)烈依賴(lài)于傳感器和解釋算法?？梢哉f(shuō)，健康監(jiān)測(cè)有可能將目前廣泛采用的離線、靜態(tài)、被動(dòng)的損傷檢測(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與控制，這將導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控、減災(zāi)防災(zāi)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。顯然結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，它包括工程結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、信號(hào)處理、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、材料學(xué)、模式識(shí)別等多方面的知識(shí)。

3. 損傷檢測(cè)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)與方法

損傷識(shí)別分為四個(gè)等級(jí);第一等級(jí)是確定結(jié)構(gòu)中是否存在損傷;第二等級(jí)是在第一等級(jí)的基礎(chǔ)上確定損傷的幾何位置;第三等級(jí)是在第二等級(jí)的基礎(chǔ)上對(duì)損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化;第四等級(jí)是在第三等級(jí)的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命［5］。迄今為止，基于振動(dòng)分析的損傷識(shí)別方法只能解決等級(jí)一和等級(jí)二的問(wèn)題。如果與結(jié)構(gòu)模型聯(lián)合起來(lái)，則可解決一部分等級(jí)三的問(wèn)題。如果要解決等級(jí)四的問(wèn)題，則還需要斷裂力學(xué)、疲勞壽命分析或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估等多方面知識(shí)。損傷檢測(cè)與識(shí)別大致可分成兩種類(lèi)型:基于振動(dòng)的方法、靜態(tài)檢測(cè)方法。靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)比較直接可靠，但進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量需要進(jìn)行封閉試驗(yàn)，會(huì)影響服役結(jié)構(gòu)的正常使用。振動(dòng)測(cè)試可以在結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)下進(jìn)行，易于把拾振傳感器安裝在結(jié)構(gòu)深處;用做振動(dòng)診斷的信號(hào)類(lèi)型多，量值變化范圍大，而且又是多維的，便于識(shí)別不同類(lèi)型的故障。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析技術(shù)與處理技術(shù)得到提升,這些技術(shù)在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中都得到了較好的運(yùn)用［6］。因此，動(dòng)態(tài)損傷識(shí)別方法的研究較多。動(dòng)態(tài)方法按照所利用的特征量是否使用結(jié)構(gòu)模型，可分為無(wú)模型識(shí)別方法和有模型識(shí)別方法兩類(lèi)。無(wú)模型方法不使用與結(jié)構(gòu)模型有關(guān)的特征量，從振動(dòng)的時(shí)程、頻譜或時(shí)頻分析推導(dǎo)而來(lái)［7］，但由于土木工程結(jié)構(gòu)規(guī)模龐大，難以對(duì)損傷進(jìn)行定量研究。有模型方法使用結(jié)構(gòu)模型，基本是有限元模型，使用的是與結(jié)構(gòu)模型有關(guān)的特征量，包括固有頻率、模態(tài)振型、曲率模態(tài)及有限元模型信息等，該方法能克服使用無(wú)模型方法的局限性，因此正越來(lái)越得到研究者的關(guān)注。
    4. 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法的基本方法原理

利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。這種方法利用未損傷結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型連同未損傷的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為探測(cè)有損結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信息、與損傷結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較，從而判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置和損傷的程度。眾所周知，任何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都可以看作是剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣組成的力學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)參數(shù)隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)和模態(tài)參數(shù)(頻率和振型等)的改變，所以，結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的改變可以視為結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損傷的標(biāo)志，成為用振動(dòng)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的切入點(diǎn)。