1、土木工程方法论作业论文土木专业研究方法论结课论文姓 名： 郑 峰班 级：土木1001学 号：10231167结构健康监测技术的现状摘要：结构健康监测( structural health monitoring，SHM)是当前工程界与学术界研究的一个热点问题，随着我国改革开放的不断深入，土木工程建设不断加快，对于其在实际的结构安全检测是十分关键的。本文针对我国现阶段的土木工程结构的健康监测现状进行系统论述，并阐述其在新技术、计算机信息系统方面的应用。整理归纳目前健康监测系统存在的不足，详细介绍结构健康监测技术的应用和发展概况，建立结构健康监测系统的开放式体系结构，研究应用结构健康检测需要解决的几
2、项关键技术，展望结构健康监测技术未来的应用前景，指出目前需要解决的主要问题5。 关键词：应用前景 土木工程结构 结构健康监测 Study on Structural Health MonitoringAbstract：With the increase of economy and science technology development，a number of large complex long-term structural health monitoring systems have been developed and installed in ChinaAiming at th
3、e shortage of health monitoring systems at present，on the basis of introduced the development and applications structural health monitoring in detail，introduced the development and applications of structural health monitoring in detail，built on the open system architecture for structural health moni
4、toring，researched on some key techniques to apply structural health monitoring, finally set forth the prospect of structural health monitoring pointed out that the main problem to be solved Keywords：structural health monitoring；intelligent information processing；civil engineering structures引言目前土木工程结
5、构的建设越来越多样化、复杂话，对其进行有效的结构健康监测显得十分的重要。土木工程的结构健康监测是指利用无伤传感技术来获取其结构的内部信息，对工程结构实施损伤检测和识别。对一个土木项目来说，从开始施工到竣工的整个阶段进行长时间的结构健康监测是工程项目健康运转的关键环节。基于其在运用之中采用无伤传感技术，极大地增加了其实际使用价值。即可以及时的发现土木结构的结构损伤又可以对结构造成零伤害。1.我国土木工程结构健康监测现状在近几年，我国在该领域发展迅速，诸多的国外先监测进技术渗入到我国该领域之中。目前常采用整体损伤检测方法、神经网络法、遗传算法、系统模型识别法、动力指纹分析法等对土木工程结构进行长时
6、间系统结构健康监测。1.1遗传算法。该种方法是模拟达尔文的自然选择和遗传学进行计算的数学模型。该种方法是基于自然选择进行优化进而找出最优解的过程。该种方法需要其他的信息和辅助知识，所以只需加大对限制条件函数的数据分析。在遗传法中，可以同时处理多个结构关键点，进行多角度的数据评估反馈。极大的减少了局部检测造成的漏检现象；其在计算过程中，基于结构的确定性，因而采用了概率的方式来增大评估效果8。1.2 神经网络法。该种监测法也是基于计算机技术发展而起的。依托强的数模思想进行建模监测。该种方法的思路主要来自于模拟大脑神经系统。实际中，在建模的过程之中对数据的要求比较的高，要求数据的准确性、全面性，这样
7、才能建立合理的切合实际结构的数学模型。 这种方法不像动力指纹方法那样过分的关注其物理性质，而是对结构进行系统的潜在问题分析，从而得到结构在不同情况的理论数据。在对神经网络的建立中，其实是建立实际监测数值与一定参数间的函数关系。当电脑数据员输入一定的参数就可以获取监测的数模模型，进而得到结构损伤的信息反馈。该种方法可以充分的依托与各种物理数据，进而建立健全的关系网络，从而使得其在实际的使用当中具有极大的数据储存功能，在对于监测确定的背景下采用该种方法可以对数据库、结构等领域的优化。该种方法不仅拘囿于传统的线性模式，而且能很好的适应于非线性下的体统监测。对于非线性下的系统监测，可以很好的达到指纹振
8、动法中振动监测的效果，减少了大量的设备要求，避免了环境的影响力度。但是，其也面临着诸多的技术限制，在进行神经网络法时，基于建立的模型往往变化复杂，这就加大了其在实际操作中的难度。然而，经过上述的基于以上的功能模式展开完善和研究。1.3 动力指纹的分析法。该种方法基于物理学中的阻尼、刚度、质量等角度对土木结构进行监测，一旦结构发生一定的改变其在诸多的物理现象中都会出现异常。该种方法的关键在于建立安全状态下的各物理数据库，进而在实际的监测中，利用这些标准数据和检测数据进行比较分析，来准确的确定结构损伤的大概情况。但从实际情况看，基于一定的振动结构损伤识别的方式，在依托物理原理进行中，其效果最为显著
9、。其工作原理是利用振动方式对结构产生一定的感应，进而利用仪器检测产生的感应数据，诸如位移、频率等。依托这些传感数据建立合理的数学模型，再和理论的数据模型进行比较分析来判断结构的损伤情况。依托其原理，在其模式上建立了模型修正和系统识别的方法，该种方法主要在对于数模的建立以及依据实际情况进行不断的修正优化。在对结构模型的建立，则需要依托强有力的数据库，所以说其是基于动力指纹分析法发展而起的2。从实际的效果看，动力指纹法对结构损失的定位效果十分优良，具有一定的实际价值。2.基于新技术的发展2.1 基于光纤光栅传感器的健康监测技术。研究该种比较新型的技术广泛运用于现在的信息传输领域。其依托光纤进行迅速
10、的信息传输。由于其在实际的运行当中，基于光波的传输频率、波长等物理因素的感知来获取信息的传输变化。针对其高效率、精准度的特点，光纤也慢慢渗入到土木工程结构的健康监测之中。该种全新的技术，在数据的传输过程当中，具有较高的数据容量；在检测当中可以准确的测量出建筑物的实际负载量。而且在实际的使用当中，操作比较的方便。在建筑物建筑施工时，阐述我们也看到了其多角度的进行不同的数模建立，对土木结构的更加全面系统的监测，自动化的电脑技术更加增大了其一定的工作效率。目前常用的神经网络种类很多，但都是将光纤传感器埋入结构之中，并且要在铺设之前对大楼的结构进行整体的分析，进而合理的设置铺设点，形成一个完整的监控数
11、据网络。这样在对土木建筑的后期监测时，数据处理中心就可以接受到感应器关于承受力、结构受力平衡的数据反馈。这样可以对土木建筑物的实际情况做出准确的判断，全面的了解结构损伤情况。然而，该项技术还比较的先进，在光纤设备等方面成本还比较的高，但其的确具有一定的实际价值。基于光纤光栅传感器的起重机械结构健康监测技术是一个以起重机械结构为对象，应用新型光纤光栅传感器，对结构关键部位的应力、应变、挠度等多项参数进行实时监测的综合技术，该技术主要包括：光纤传感与解调技术、远程数据传输技术、损伤诊断技术以及系统集成技术等。 2.2基于电阻应变片的结构健康监测。压电效应是基于电介质受到外力的挤压造成的变形，从而产
12、生一定的电位变化，产生一定的电信号，传输到数据处理中心。这样对于电位差的变化的检测，就可以很好的定位到其结构的受力情况。整个的过程之中，压电感受器的灵敏感应十分的关键。其电压感应器的铺设也应如光纤感受器一样，依据土木结构进行合理的铺设，形成完整的检测网络数据平台。 该种方法可以很好的检测建筑物的关键结构的损伤情况，即使是极小的结构变化，都可以很好的感应。对一些潜在或细小的结构损伤能够及时的发现。基于该种技术的有良性，其亦将成为土木工程结构健康监测的核心方式。但作为新兴的技术，在诸多的关键问题上还存在缺陷和技术问题，诸如电压材质的选择就是一个难题，如果采用传统的金属材质作为电压材料， 其在长时间
13、的使用中，由于腐蚀的缘故必会影响其正常的运转；采用不易腐蚀的陶瓷材质作为电压材料，又面临在施工过程中，易受到外界的影响造成碎裂的现象。因此，这些比较核心的技术难题，还需要进一步的研发和完善，才能正在的使得该项技术运用于实际的监测之中。2.3 GPS结构健康监测系统。随着现代化建设的不断深入，科学技术日新月异的发展，人类对建筑的要求越来越高，建筑造型也更加多样化。因此结构也变得跨度更大、质量更轻、刚度更柔、体型更复杂，而且在运营载荷变化、强风、温度变化以及地震等外界因素的影响下，这些大型工程结构物都会产生振动与变形。变形过大将使结构不能处于正常的工作状态，或使结构产生局部破坏，甚至发生倒塌。所以
14、对结构进行变形监测显得越来越重要。GPS技术作为一种新的监测方法，具有速度快、全天候作业、自动化程度高、观测时间短、定位精度高、可消除或削弱系统误差的影响、能同时测定点的动静态三维坐标、并可直接用大地高程进行垂直形变测量、无误差积累等优点。目前利用GPS技术对结构进行监测大多数都是短时间的，这虽然能测得当时结构的位移以及识别出结构的振动频率，但是在环境荷载不断变化的情况下，结构的变形也是不断变化的，变形过大甚至会影响到结构的安全。所以说，建立能够长期运行的GPS变形监测系统对结构进行监测是非常有必要的。一套完整的GPS结构健康监测系统主要由数据采集、数据传输、数据处理与管理三大部分组成。数据采
15、集部分包括GPS基准站和GPS监测站。基准站的接收机天线接收空中的GPS卫星信号，并将其载波观测量及测站坐标信息通过数据链传送给监测站，用于改正监测站的GPS信号误差；监测站则接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位以确定监测点位置的三维坐标。数据传输部分是连接现场设备和监测中心的通道，它应及时准确地将观测资料及有关信息(如观测值和卫星星历等)传输到控制中心，因此它的稳定关系到整个监测系统的正常运行。所以，可以说数据传输部分是整个GPS监测系统的一个重要组成部分。2.4主动 Lamb波结构健康监测方法。由于对结构中的裂纹、复合材料脱层等小损伤敏感，是目前被认为最有效的板结构损伤监测方法。
16、然而Lamb波传播存在着频散及多模特性，同时待测结构往往较为复杂，尤其是复合材料结构，结构特性及损伤机理分析困难，主动 Lamb波结构健康监测研究中还存在信号信噪比低下、损伤辨识方法简单、监测效率不高等诸多问题。将Lamb波作为板结构损伤检测的手段已经有一段较长的历史了。1917年Horace Lamb 第一次提出 Lamb波的概念。随后的十年中，许多的研究人员证实了Lamb波方法的有效性。目前，基于压电元件及主动 Lamb 波的板结构健康监测方法由于对结构中的裂纹、脱层等小损伤敏感，是目前被认为最有效和重要的板结构在线损伤监测方法，已成为目前国际研究的热点之一，具有广阔的工程应用前景。 La
17、mb 波在结构中传播时，结构内部的各种损伤会引起应力集中、裂纹扩展，这些以及损伤周围的边界都会引起在结构中传播的 Lamb 波信号的散射和能量的吸收。正是基于这种现象，Lamb波可以被用来对结构中的损伤进行在线监测。作为一种长期在线监测方法，主动 Lamb波监测方法可分为四个过程：（a）以特定的信号激励压电元件，向结构中板激发 Lamb 波信号；（b）Lamb 波信号在材料中的传播；（c）采用压电传感器或其它传感器在结构的不同位置接收Lamb 信号；（d）对接收到的 Lamb 波信号进行分析处理，提取损伤特征参数6。2.5利用HHT进行模态参数识别。HHT是一种新的非线性和非平稳信号的处理技术
18、，该方法由经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，简称EMD)与Hilbert谱分析(Hilbert Spectral Analysis，简称HSA)两部分组成。任意的非线性或非平稳信号首先经EMD方法处理后被分解为若干个固有模态函数(Intrinsic Mode Function，简称IMF)；对每个IMF分量进行Hilbert谱分析得到相应的Hilbert谱；汇总所有IMF分量的Hilbert谱，得到原始信号的Hilbert谱。Hilbert谱在联合的频率时间域中来描述原始信号，具有非常高的时频分辨率，从根本上克服了以往基于傅立叶分析的种种信号处理方法所存在
19、的弊端。3.基于计算机信息系统的结构检测方法 。重大工程结构，如超大跨桥梁、用于大型体育赛事的超大跨空间结构、超高层建筑、大型水利工程、海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳与突变等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减，从而在极端情况下引发灾难性的突发事故。为了保障结构的安全、可靠，许多在役重大工程结构和基础设施急需采用有效的手段监测和评定其安全状况；新建的大型结构和基础设施在总结过去经验的基础上增设了长期健康监测系统，以监测结构的服役安全状况。结构健康监测已成为国际土木工程领域的前沿研究方向。结构
20、健康监测系统主要由传感器系统、信息采集与处理系统、信息通信与传输系统、信息分析和监控系统4个子系统组成。一个结构健康监测系统的优劣主要由3个因素决定：(1)传感器的灵敏性和精度，以及数据传输和采集设备的性能；(2)测点的空间分布，即传感器的最优布置问题；(3)测试数据的分析处理。从目前的发展与研究成果来看，用于结构健康监测的硬件设施越来越先进，高性能的智能传感器元件和信息采集装备越来越多地在工程中得到应用；当前的传感器技术已经达到较高的水平，在结构健康监测系统中传感器信号的获取已经不是一个至关重要的问题。传感器的优化布置决定了能否获得大型结构的整体信息和局部信息，也决定了测试数据对结构损伤变化
21、的敏感性。如何安排有限数量的传感器实现对结构状态改变信息的最优采集，是结构健康监测需要解决的主要问题之一。测试数据的分析处理要完成结构损伤识别和整体健康状态的评估。因此在结构健康监测中最关键的就是测试数据的分析处理，一旦健康监测系统投入运营，主要的工作就是如何应用有效的损伤识别技术从测试信号中获取有关结构损伤状态的信息，其核心是结构的损伤识别14。3.1数据采集系统。结构健康监测的数据采集系统主要用于岩土工程和其它水电工程的安全自动监测。通过对大坝和其它建筑物压力等参数的监测，起到预防灾害、辅助决策、节省人力、确保工程正常运行的作用。设计中使用振弦式和电阻应变式传感器来进行健康监测。它们广泛应
22、用于水利、水电、铁道、交通、矿山、石油、土木建筑物及地基内结构中。设计的硬件电路分为七个部分：MCU、A/D转换、激振、信号调理、通讯接口、通道选择、温度调理。根据结构健康监测的数据采集系统的实际情况，选用P89C58X2FN芯片作为主处理器实现采集多路传感器数据和传输数据的功能。在温度调理方面，设计了一种基于比值采样原理的测量电阻电路，在不提高元件参数性能指标的情况下，大大提高了测量精度。该系统样机在实验室进行了测试和试运行，对其中的激振模块、采集数据模块、通信模块工作状态进行了验证，并且利用Mat lab软件对实验数据进行分析。测试结果表明，该系统运行稳定，满足结构健康监测的数据采集系统的
23、要求，具有一定的实用价值。3.2基于先进先出的新型结构健康监测系统。高速实时地采集传感器信号以及精确测量结构的状态信息对结构健康监测至关重要。但传统的基于串行处理的结构健康监测系统在进行数据分析的同时必须停止数据采集，造成数据采集不连续，实时采集速率不高。为此，采用光纤光栅传感器设计一个新型的实时结构健康监测系统，通过先进先出(FIFO)缓存区的设计将串行模式 下间断性的数据采集转化为连续性的数据采集， 有效提高了监测系统的实时数据采集速率。系统通过实验证明FIFO缓冲技术的引入有效提高了实时数据采集速率，最大可提高100；同时也消除了串行模式下间断性数据采集对系统测量精度的影响11。 基于
24、F B G传感的结构健康监测系统主要包括FBG传感网络、信号解调器、 数据采集卡、服务器端和监测端五个部分，系统总体结构如图 1所示。 服务器端主要有 3个功能：1 ) 数据采集，从数据采集卡取得解调过的传感器数据；2 ) 数据分析，采集到的原始数据经过数据平滑、峰值识别、偏移计算、 温度补偿和物理量换算等一系列的分析处理计算出结构状态信息；3 )数据发送， 将计算出来的结构状态信息发送给监测端。监测端主要有两个功能：一是接收服务器端发送出来的数据；二是在用户界面上实时显示监测到的结构状态信息。 该系统采用服务器端和监测端的C/S模式，数据采集、分析和发送这些大负载的任务都被放到服务器端执行，
25、减轻了监测端的负载，实现客户端的轻量级。但是， 服务器端如何同时高效地实现具有一定精度要求的数据采集、复杂的数据分析算法和频繁的结构状态信息发送，就成为了结构健康监测系统的一个关键问题。 4 结语经过上述的系统阐述，我国的土木工程结构的健康监测还需要不断的完善和发展。基于我国当前在该领域的发展，尤其对于新兴的光纤传感技术和电压技术的领域发展，势必影响到我国该领域的发展进度。不断的将该领的技术商业产业是新技术发展面临的一个难题，其在实际的运用当中，还存在成本过高的不利因素。总之，我国在该领域的发展正逐渐的完善之中。参考文献1 姜绍飞，党永勤，苏居儒，许丕元. 基于振动的结构健康监测技术J.沈阳建
26、筑工程学院学报 (自然科学版)，2003，19（4）：275-277. 2 蒋洪伟. 基于电阻应变片的结构健康监测实例J.黑龙江水利科技，2012，40(4)：49-51.3 袁慎芳.结构健康监测M.北京：国防工业出版社，2007. 4 吴永礼. 用遗传模糊系统实行结构健康监测J.国外科技新书评介，2012，6：18-19.5 CUI Ronghong，HE Yuting，YU Zhiming，LI Hongpeng，SHU Wenjun，and DU Jinqiang. Structural Surface Crack Monitoring Method Based on Electrica
27、l Potential Technique and Modern Surface TechnologyJ. CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING，2011，24（4）：601-606. 6 王强.Lamb波时间反转方法及其在结构健康监测中的应用研究D.南京：南京航空航天大学，2009：1-7.7 张永恒.结构健康监测中的GPS多路径效应研究D. 大连：大连理工大学，2009:1-288 刘畅.土木工程结构健康监测研究进展J. 中国对外贸易，2012，4：459 顾钧元，徐廷学，余仁波，陈海建. 结构健康监测及其关键技术研究J. 兵工自动化,2011
28、,30(8): 61-6410 Cao Jianwen，Wei Xinli. THE STUDY OF THE ENGINEERING STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM BASED ON THE WIRELESS SENSOR NETWORKSR. The 4th International Symposium on Lifetime Engineering of Civil Infrastructure,2009. 11 Qin Faxiang，Peng Huaxin. Ferromagnetic microwires enabled multifunc
29、tional composite materialsJ. PROGRESS IN MATERIALS SCIENCE,2012,58(2): 183-259.12 丁克勤，王志杰，赵娜，陈光，乔松. 大型起重机械结构健康监测技术研究进展J. 起重运输机械,2012,8: 1-4.13 张贤达，保铮非平稳信号分析与处理M北京：国防工业出版社，1999.14 钱炯.基于Hilbert-Huang变换的结构健康监测应用研究D.兰州：兰州理工大学，2009.附录1论文检出比例：SCI检出论文6篇，密切相关的有2篇；维普检出13篇，密切相关的有8篇；万方检出12篇，密切相关的有4篇。附录2土木工程专业研
30、究方法论的体会和收获 本学期我学习了土木工程方法论这门课，让我感触颇深。首先是这门课独到的上课方式和上课内容。方法论不同于其他科目，需要记住大量的公式，做各种各样的题目。它更侧重于从一种创新思维来启发你如何去思考。上课时，老师更多的是和学生在互动，让学生们明白自己是为什么要这样去做，而不仅仅是知道要做的东西是什么。的确，一种好的学习方法能让人的效率提高一倍甚至更多。 让我感触最深的就是方法论课上的课堂小组演讲。我认为这是这门课的一个较好的创意。在这次演讲中，我们小组成员之间相互配合，互相协作，共同愉快地完成了这次演讲。首先是准备工作，我们5人各自分工，查阅资料，并且做好ppt一起排演。演讲的时候也是各尽其能，让我们深刻体会到了学习、合作的快乐。当然我想在这里提出一些建议。我建议1、严格控制各小组的时间，让个小组在有限的时间里发挥出自己的水平也是一种锻炼。2、可以开展组内评分和组外评分制度，这样更多的同学能同时参与进来，也就不会觉得无聊。3、选题自由，可以让同学们自己挑选喜欢的课题研究，相同的课题让人觉得不够有趣。 其他的意见就是老师上课可以多找一些同学起来说说他们自己对于学习方法的一种看法、意见，集思广益。最后感谢战老师一学期的授课，让我收获颇丰！
