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摘要：时代的快速变迁以及社会的快速发展，促进了土木工程的发展，在土木工程建设中对于其结构的健康监测研究就显得尤为迫切和必要，本研究针对土木工程结构健康监测的研究进展展开了详细的阐述，首先分析了健康监测的具体概念以及健康监测系统的具体组成，然后分析了工程应用以及土木工程结构健康监测系统的未来发展方向，对于促进土木工程健康发展有一定的指导意义。
关键词：土木工程；健康监测；结构；研究进展
1.前言
土木工程涉及到的种类很多，包括桥梁建筑，水坝工程，军事设施建设等等并且由于容易受到诸多因素的影响，威胁着土木工程的结构质量，所以做好土木工程结构的健康监测工作，对于存在的安全隐患及时发展并且采取有效的防治对策非常有必要，能够提升工程结构的整体运营效率，保障人民群众的生命财产安全，因此土木工程结构的健康监测系统成为了研究的热门话题。
2.健康监测概述
2.1概念
结构的健康监测指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(No ndest ructiv e Evaluatio n，简称NDE)不同，通常NDE技术运用直接测量确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度。而SHM技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。可以说，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术，它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。
2.2健康监测系统的组成
健康监测系统应包括下列几部分：
(1)传感系统。用于将待测物理量转变为电信号。
(2)数据采集和处理系统。一般安装于待测结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理。(3)通讯系统。将采集并处理过的数据传输到监控中心。
(4)监控中心和报警设备。利用具备诊断功能的软硬件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估，如发现异常，发出报警信息。
3.工程应用
健康监测系统监测结构性能，检测结构损伤，评价和诊断结构健康状况并做出相应的维护决策，是一种可靠、有效、经济的监测方法，结构的安全性和功能性将大大提高。由于SHM系统成本高，在土木工程结构中主要应用于大型桥梁，但在一些经济发达地区，如美国、加拿大、日本、德国等，健康监测系统的应用已经扩展到高层建筑、大型复杂结构、重要历史建筑的监测。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆SHM系统在我国，目前主要在一些重要的大跨桥上使用，如香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥、上海徐浦大桥以及江阴长江大桥等。此外，在大坝安全综合评判与决策的研究和应用方面，吴中如、顾冲时、杨杰等提出并开发了建立在“一机四库”(推理机、数据库、知识库、方法库和图库)基础上的大坝安全综合评价专家系统，应用模式识别和模糊评判，通过综合推理机，对四库进行综合调用，将定量分析和定性分析结合起来，实现对大坝安全状态的在线实时分析和综合评价。此系统已应用于丹江口、古田溪三级大坝和龙羊峡大坝的安全分析
3.1信号的采集和处理
结构的征状是由采集信号分析获得的，因此信号采集技术是结构损伤识别的前提。信号采集技术包括信号的采集和放大，传感器的类型、安装位置、数量以及数据的获取、存储等。此外还应考虑采集数据的时间间隔，数据的标准化问题，测量过程的不确定性以及数据的净化问题。由于被检测结构的庞大和复杂，传感器的类型和数目相当多，如何确定传感器的最优布置点是研究的热点。用于损伤检测的传感器类型有：振动传感器，声级计，声发射传感器，温度传感器，阻抗传感器等。信号的分析和处理是结构损伤识别技术中特征因子的提取技术。传感器采集的信号，如频率、振型、位移、温度等可以直接利用，但大部分信号需经过放大、去噪声后，才能得到对损伤敏感的特征因子。近年来出现的数字滤波技术、自适应滤波技术、小波分析技术、分形几何技术、模糊技术等大大丰富了信号处理的内容。小波变换可以聚集到信号的任意细节进行频域处理，因此非常适用于提取非平稳信号振动波形特征。损伤检测结构健康监测的关键问题是监测系统的实现和损伤位置、程度的确定，这是结构健康监测与诊断的核心，也是难点。理想的损伤识别方法应具备的一个重要特性是，能够区分结构建模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差。真正的健康监测系统必须具备自动识别损伤的能力，对于如何自动的从量测信息来解释结构健康状况，还未建立起完善的科学理论，对复杂结构的整体检测仍是土木工程领域的一大挑战。
3.2局部检测方法
声发射法(又称应力波法)能对活动性缺陷进行动态监测，采用声发射探头将发射源发射的弹性波转换为电信号，经放大处理得到特征参数，从而推测材料内部发射源(即缺陷)的位置。以脉冲回波法为主的超声波检测技术是利用其遇到相异介质能够反射的性质进行检测，具有良好的指向性，在不同的材料中衰减性不同，检测灵敏度高、成本低、效率快。射线检测指用X射线和直线加速器对结构缺陷情况进行检测，可检测结构内部缺陷的位置和立体形状，用来判断结构是否可用或为维修提供参考。电磁涡流技术主要检测交变磁场中导电材料感生涡流场，不需耦合和接触，因此检测速度快，可以检测结构表面和内部缺陷。
3.2.1动力指纹分析法
这种方法的基本思想是寻找与结构特性有关的“指纹”变化。结构一旦发生损伤，其结构参数，如刚度、质量、阻尼等会发生改变，从而导致相应的动力指纹的变化。这些动力指纹的变化可以看作结构损伤发生的标志，借以诊断结构的损伤。常用的动力指纹有：频率、振型、振型曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模态确信准则(MAC)和坐标模态确信准则(COM AC)等。
3.2.2模型修正法与系统识别法
这种方法的基本思想是利用动力试验数据(通常为模态参数或加速度时程记录、频响函数等)，通过条件优化约束，来不断修正模型中的刚度分布，通过被检测结构中任意观测到的局部刚度下降判定损伤的位置和程度。
4.结语
综上所述，在智能材料与结构的各个领域的研究中，结构健康监测是非常有前途的。健康监测技术由于其广泛的应用潜力近年来引起了极大的关注，它不仅在所有的智能材料与结构的国际研讨会上提出，并且已经成为一个专门的研究课题。
参考文献
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论文作者:王蕾
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/2
标签：结构论文; 损伤论文; 健康论文; 土木工程论文; 技术论文; 传感器论文; 信号论文; 《防护工程》2017年第28期论文;