土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展

汪涛

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摘要：随着经济的发展，土木工程在现代社会发展中扮演着十分关键的角色，其建设质量和可靠性与人们的生活、生产活动有重要联系。尤其是如今社会经济进一步发展的背景下，各类土木工程的建设规模越来越大、结构越来越复杂，不仅对施工技术的先进性提出了更高的要求，也使人们对工程结构的状态及安全性给予了极大关注。随着现代计算机软件、通信网络乃至智能化技术的全面发展，针对土木工程结构健康性进行监测的系统被研究出来，并且取得了不错的应用效果。显然，无论是在土木工程的建设和施工中，还是投入使用之后，都需要对其结构健康保持密切监测。因此，有必要结合现代土木工程结构健康监测的相关需求，对土木工程结构健康监测系统的研究现状和趋势进行进一步探究。

关键词：土木工程；结构；健康监测系统；研究状况；进展

引言

在如今社会经济快速发展、城市化进程持续加快的背景下，我国基础建设水平越来越高，各类土木工程的建设规模和数量不断提升。土木工程建设施工及投入使用之后，其结构稳定性与人们的生命财产安全息息相关，因此针对结构的健康监测尤为重要。 在进行土木工程建设过程中，需要对其结构进行实时监测，以保证结构的稳定性和质量，使整个工程结构以及质量达到预期效果。

1土木工程结构健康监测系统概述

1.1 基本概念

土木工程结构健康监测系统主要是利用计算机软件技术、微机技术、传感器技术等，对土木工程的结构状态、安全性进行监测、诊断、分析的综合性技术系统，在如今的土木工程施工及维护管理中有重要应用。在实际应用中，结构健康监测系统主要应用于两个方面：其一，在土木工程建造施工阶段，对已建结构部分的各项力学指标、安全系数进行监测，以保证施工现场的安全性，同时便于技术人员评估施工质量。其二，针对投入使用的土木工程结构，对其结构状态进行长期监测，以便及时发现因外力因素或结构老化出现的损伤、失稳、变形等隐患，为工程使用、维护管理人员提供重要的参考依据。理想状态下，土木工程结构健康监测系统应当是一种全自动、不间断的监测系统，通过传感器对土木工程结构各项参数进行监测，同时识别各种反映结构风险的信号。由微机系统或中央控制系统对接收到的信息进行分析，评估工程结构健康状态，同时综合大数据动态化分析，识别结构安全风险。

1.2 重要性

众所周知，土木工程作为大型人造物体，其结构的稳定性和可靠性是非常重要的。尤其是如今土木工程呈现体量规模化、结构复杂化的情况下，其整体及局部结构的稳定性和可靠性，将对人们的生命财产安全产生直接影响。传统技术条件下，无论是土木工程的施工环节，还是工程建成投入使用之后，针对结构的安全性监测和评估都依靠技术人员进行现场检测和分析，不仅对相关人员的专业知识储备、技术水平、从业经验有非常高的要求，还需要其有效应对不同工程结构存在的各种问题。

显然，以人为主的监测方式一方面无法有效保持对结构健康状况的不间断实时监测，另一方面也无法杜绝人为失误造成的监测误差或错判风险。而土木工程结构健康监测系统则凭借对现代科技的全面应用，可以实现半自动化乃至全智能化的结构健康监测工作。首先，基于传感器的监测方式具有更好的精确性，能够对土木工程结构的细微损伤、力学数值变化进行捕捉。其次，通过长期不间断监测以及对监测数据的动态化分析，可以判断土木工程结构的状态变化趋势，为结构安全风险防治及加固保养工作提供参考。另外，土木工程结构健康监测系统可以在提高监测准确性的基础上，减少结构安全管理及维护工作的资金花费，具有很好的经济价值。最后，土木工程结构健康监测系统的应用，可以为土木工程结构设计及施工技术研究提供足够丰富的真实数据，有助于形成相关行业的大数据库，为推动行业发展而做出重要贡献。

2土木工程结构健康监测系统诊断方法与优化设计

2.1诊断方法

研究土木工程结构健康监测系统的具体诊断方法，可以判断是否存在问题，明确优化方向。诊断方法是利用固有频率变化损伤诊断方法，例如在某地的工程建设中，利用传感器对土木结构进行实时监测，并对土木结构的频率变化进行数据回收，如果频率变化出现问题，表明该地区土木结构存在异常状况，需要对其进行深入分析，并且通过多种频率的不断刺激可获得相关数据，如果比较分析的结果差异较大，证明该地区的土木工程结构存在损伤状况，需要对其进行维修以保障土木工程的正常质量。此外，还可以利用振型变化来诊断损伤，结合曲率法和图形法进行综合运用。一般在损伤的土木结构中，其刚性会下降，故振型曲率会进一步增大，因此在检测过程中可以利用传感器系统对其振型曲率进行数据回收，如果振型曲率出现明显增大的现象，表明该处土木结构出现了损伤。另外，还可以利用变化图形法，根据振型变化图确定损伤的位置，找到其变化的位置，并针对该位置进行修补，这样可以达到高效修复损伤的效果。

2.2优化设计

在具体的优化设计方面，需要合理布置传感器位置，可以利用 BIM 技术固定传感器位置。在某处工地建设中，引进了 BIM 技术，在设计时设计师可以利用 BIM 技术对每个可以安装传感器的位置进行模拟，根据动态变化对其监测效果进行分析，保留监测效果良好的位置，去除监测效果不佳的位置，以此给出完善的设计方案，同时，使传感器布置更加优化，感受更加灵敏、更加丰富，所获取的信息更加准确，方便工作人员获取准确的数据用于数据分析，在土木工程建设中可以给出明确的指导意义，防止结构出现问题而造成极大的损失。

3未来土木工程结构健康监测系统发展前景展望

土木工程结构健康监测系统虽然诞生了很长一段时间，但是我国对该系统的运用还没有达到理想水平。因此结构健康监测系统，在土木工程建设中还属于新兴的技术，并且随着时代的发展也将拥有更加广阔的发展前景。据实际而言，我国土木工程结构健康监测系统将会在以下几个方面取得突出的进展：其一，进一步探索适合土木工程结构模态的识别方法。因为目前许多结构健康监测理论都是借鉴了机械行业而发展而来的，土木工程结构健康监测专属识别理论亟待建构。其二，加强监测系统的耐久性。目前土木工程结构健康监测系统发展过于关注其监测性能的提升，但对监测任务的前期意义缺乏必要认知。从而导致监测系统不能长期进行监测任务，这一问题将是未来我们急需解决的。其三，研究更加合理的算法，使实时监控所得的数据通过算法能得到有用的结论以评估结果的安全性

结语

综上所述，在如今社会经济快速发展的大环境下，我国基础建设规模不断扩大。在土木工程的建设施工及后期维护管理中，需要对其结构的健康状况进行实时监测，显然传统的技术方法不再适用。为此，基于现代计算机、通信网络、数字化等技术打造的土木工程结构健康监测系统可以有效满足现代工程建设管理需求。目前国内外关于该系统的研究和应用取得了一定成果，为了进一步发挥土木工程结构健康监测系统的应用价值，推动我国土木工程结构安全管理水平的持续提升，有必要基于当下的研究成果，对神经网络、专家系统等新兴技术进行深入探究，推动土木工程结构健康监测系统的全面数字化、智能化发展。

参考文献

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