钢结构全寿命周期健康监测系统研究

钢结构全寿命周期健康监测系统研究

王乐亭

中核西北建设集团有限公司

摘要：本文对钢结构全寿命周期健康监测必要性进行了简要介绍，并以压电材料为核心，提出构建施工监测与健康监测一体化系统的具体步骤。

关键词：压电材料；施工监测；健康监测；全寿命监测；

1.钢结构全寿命周期健康监测必要性

近几十年来，随着我国经济水平的快速提高，设计方法及施工技术的飞速发展，钢结构在我国建筑工程中的应用越来越广泛[1]。钢结构应用己成为建筑结构的热点和亮点，目前，钢结构除了在高层、高耸、大跨及空间结构中具有强大的优势，在多层和住宅类结构中也极具前景和生命力。然而，在钢结构应用飞速发展的同时，钢结构施工及正常服役过程中的事故却不断的在增加。在这些事故中，有些是由于施工阶段工程质量不合格造成的，有些是由于自然或人为灾害如地震、火灾、大风、撞击等难以预防而造成的意外损害。因此对各类具体钢结构体系的健康特征的考核，如各类型钢结构施工阶段及交付使用之前的整体健康评价、己使用一定时期的既有钢结构的耐久性评价、灾后钢结构的健康评估、目前还缺乏一些基本的手段及系统考核方法。结构的“生命周期”可以划分为三个阶段：施工阶段，使用阶段和老化阶段。结构风险贯穿结构整个生命周期，在施工阶段和老化阶段的平均风险率较高。为了准确把握结构在生命周期内损伤和衰退过程中的健康状况，有效控制结构性能退化产生的风险，避免可能产生的安全事故，对结构进行施工与服役全寿命周期健康监测具有重要理论意义和学术价值，工程应用前景也非常广阔[4]。

2.传统监测系统的缺陷

传统的监测系统通常是由两个独立的部分组成的，即施工监测系统与健康监测系统。这两个系统由不同的单位分开独立建设，施工控制的传感器系统没有被健康监测系统利用，施工控制采集到的大量初始数据也没有被健康监测系统利用。健康监测系统的初始状态建立在结构交付使用之后的状态上，两个系统重复建设造成了巨大的浪费，同时也使健康监测系统由于缺少结构建成时的真实状态而导致监测效果欠佳。为此构建施工监测与健康监测一体化系统，实现工程结构的施工与运营全寿命健康监测具有重大意义。

3.压电材料在钢结构全寿命健康监测中的应用

Curie兄弟于1880年发现压电效应[6]。当对压电元件施加机械变形时,就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生点的极化,从而导致元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷,且电荷密度与外力成比例,这种现象称为正压电效应。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。检测出压电元件上的电荷变化即得知元件或元件埋入处结构的变形量。因此利用正压电效应,可将压电材料制成传感元件。反之,在压电元件2个表面上通以电压,由于电场的作用,造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移,导致压电元件的变形,即逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转换为机械能的能力,可以用于驱动器的制造。

在损伤监测识别方面，基于压电材料的压电阻抗技术在结构健康监测领域有着良好的应用前景[7]。机械阻抗法是基于压电陶瓷材料的机电耦合特性，并综合考虑压电陶瓷动态特性及结构阻抗信息的一种监测方法。压电阻抗法应用于结构健康监测具有激励信号的频率高，对损伤敏感性高，且其敏感范围仅局限于粘贴压电陶瓷片的局部小范围，无需考虑远场作用（如荷载、边界条件等）影响的优点。在压电阻抗法中，压电陶瓷片同时被用作执行器及传感器，当对压电陶瓷片施加交流电场时，压电陶瓷片会产生机械振动，同时带动结构发生振动。结构的机械振动又反作用于压电陶瓷片，使压电陶瓷片产生电响应，具体表现为电阻抗发生变化[8]。理论上可根据结构的机械阻抗变化来判断结构损伤状况，但实际工程中结构的机械阻抗难以直接测得。但是，由于压电材料的机电耦合性质，使得电阻抗和机械阻抗两者之间存在着对应的关系。所以，可以对粘贴于结构表面压电陶瓷电阻抗的测量间接判断结构的健康状况。

综上所述利，用压电材料的正压电效应可以制成压电传感器,进行多种机械量如应力,应变,位移,加速度等的测量。利用压电阻抗技术可以灵敏检测到损伤的产生。在施工阶段，将压电传感器按照一定的方式安装到结构上且在服役阶段也不拆除,对所测得的电信号进行分析,从而可以获得结构施工及运营状态的应力,应变,位移,加速度及关键部位损伤信息,从而实现施工监测及健康监测功能综合一体化。

4.压电健康监测技术具体实施步骤

通过以下三个步骤实现对工程结构施工与运营的全寿命健康监测。

施工全过程模拟：传统结构设计的分析对象是正常使用极限状态和承载能力极限状态的整体结构模型，一般只是针对特定阶段下的单个结构构件进行设计和分析验算，而没有针对整个动态连续的施工全过程对结构构件进行分析。与此同时，常用的结构设计计算软件不能准确地模拟施工全过程对结构影响，例PKPM仅仅是通过在整楼模型施加分层荷载进行模拟施工过程对结构的影响，而实际上这与施工期间结构真实的受力及变形状态存在着很大的差异。如果结构的设计过程中忽略这些差异，将会给结构的安全施工带来很大的的隐患。在我国近年来的结构倒塌事故中，约75％事故是在施工过程中发生的，而其中的绝大多数是由于在设计过程中未考虑施工过程的影响，由此可见，传统结构设计方法很难满足建筑结构安全的需要，而采用施工全过程模拟的方法研究施工过程对结构受力及变形的影响显得极为必要。

模型实验研究：在有限元模型计算的基础上，选择具体项目结构中关键受力部位，进行关键部位的足尺或大比例模型试验（拟静力试验）,研究关键部位的受力和变形能力,提出结构健康监测的预警指标。并通过对结构关键受力部位分析,提出健康监测优化方案。

压电健康监测技术应用：利用有限元计算结果及模型实验选择监测点并进行监测点优化布置。在这些选择的优化布置监测点上布置以压电材料为核心制作的传感器，全过程跟踪监测关键部位在施工过程中应力,应变,变形,等机械物理量的变化情况，保证施工安全，提高施工质量。利用施工阶段监测到的各种信息对施工阶段及交付使用之前的结构整体健康性能做出评价，并为结构服役阶段压电传感器损伤监测提供基础信息依据。保留施工阶段布设的压电传感器，通过测量分析耦合于结构的压电材料电阻抗（导纳）信号的变化来判断正常使用阶段及灾后阶段结构损伤状况。利用人工神经网络及监测到电阻抗（导纳）信息实现对结构损伤状态的识别、定位和评估。

5.结语

本文提出的压电健康监测技术，可以为钢结构工程的顺利完成提供保障。并为钢结构施工完成后的长期监测、使用寿命评估提供依据。

参考文献

[1]张丽.监测技术在大跨钢结构工程施工中的应用研究[D].南昌大学,2017.

[2]林金地,韦永斌,林冰,林波,周克.杭州国际博览中心大跨度钢结构施工应力监测技术[J].施工技术,2016,45(02):18-20+104.

[3]韩杰,黄浩,赵超.某超高层建筑悬挑钢结构施工模拟分析及现场监测[J].施工技术,2013,42(08):40-42+53.

[4]秦榛,杨慧.大跨度连体桁架钢结构施工监测技术[J].低温建筑技术,2013,35(03):67-68.

[5]薛子凡,邢志国,王海斗,李国禄,刘喆.面向结构健康监测的压电传感器综述[J].材料导报,2017,31(17):122-132.

[6]张丽.监测技术在大跨钢结构工程施工中的应用研究[D].南昌大学,2017.

[7]林金地,韦永斌,林冰,林波,周克.杭州国际博览中心大跨度钢结构施工应力监测技术[J].施工技术,2016,45(02):18-20+104.

[8]宋琛琛,谢丽宇,薛松涛.压电阻抗技术在结构健康监测中的应用研究[J].结构工程师,2014,30(06):67-76.