建筑结构健康检测及其研究-论文

建筑 结构健康检测 及其研 究
张 力 心 ，刘 春 光
（ １ ． 沈 阳建 筑大 学信 息与控 制 工程 学 院 辽 宁 沈 阳 １ １ ０ １ ６ ８ ； ２ ． 沈 阳建 筑大 学学报 编辑 部 辽 宁 沈 阳 １ １ ０ １ ６ ８ ）
建筑物 的工程质量 和运行情 况对人们 的生命 财产安全有着 重大影 响。 特别是桥梁 、 楼宇等在 内的建筑物长期面临来 自外界 的环境侵蚀 、 各种 动静 力荷载的长期效 应 、 材料 老化和疲劳效应 等。 这些会导致建 筑物结构 的损伤 累积和抗力衰减 ， 如果不及 时 处理更会 引起灾难性 的突发 事件 ， 危 机到人 民群众 的生命 、 财产 安全【 １ ］ 。人们对各种建 筑结构及其生命 线工程结构 ， 在其使用 寿 命 以 内的安全性越 来越 重视 。建筑 的结 构健康监测 已成 为了研 究 热点。
Ｔｏ ｗｅ ｒ ［ ￣ ］ ． Ｓ ｍａ ｃ ｔ ｕ ｌ ａ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｄ Ｈｅ ａ ｌ ｔ ｈ Ｍｏ ｉ ｎ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ， ２ ０ ０ ９（ １ ） ： ７ ．
智能故 障诊 断方法可概括 为 ： 基于神经 网络 的诊 断方法 、 基 于小波分析 的诊 断方法 、 基于支持 向量机 的诊 断方法 、 基 于模糊 集的诊断方法和基 于进化算法 的诊断方法 。 （ １ ） 人工神 经网络 能够进行 学习 ， 有分 布式并行 计算 、 联想 记忆 、 自适 应等性能 。 能处理模糊 的或不相容 的信 息。在实现故 障诊断时 ， 需首先确定 网络模 型和学 习算法 ， 神经 网络输 入输出 对应关系 ． 之后对神经 网络进行训练 ， 由产生 的输 出与故障模 式 比较来判 断产生的故 障类 型。网络模型 的确定和算法 选取等问 题制约着人工 神经 网络的进 一步应用。 （ ２ ） ／ Ｊ ， 波 分析是 ２ ０世 纪 ８ Ｏ年代发展 的一种 数学 和信号 处
参考文献 ： 【 １ 】 姜绍 飞， 吴 兆旗 ． 结 构 健 康 监 测 与 智 能 信 息 处理 技 术 及 应 用［ Ｍ］ ． 北京 ： 中国 建 筑 工 业 出版 社 ， ２ ０ １ １ ． ［ ２ ］ Ｃ ｅ ｌ ｅ ｂ ｉ Ｍ， Ｓ ａ ｎ ｌ ｉ Ａ． Ｒｅ ａ ｌ — ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍｉ ｃ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ｎ ｅ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｂ ｉ ｎ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｏ ｗｎ ｅ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ— ’ ａ ｃ ｏ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｉ ｔ ｖ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ［ Ｃ ］ ／ ／ １ ３ ｔ ｈ
结构健康监测 通过一系列传感器 系统 ，定时采集荷 载作用 下的动力响应测量值 ， 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 当前结构 的健康状 况 ， 并 通过系 统 自我调节是结构脱离危 险。
１ ． ２健 康 监 测 系统 的 组 成
理． 通过进 化产生下一代更优 群体 ， 寻找满 足要求的最优解 。进 化算 法具有并行计算 、 能获得全 局最优解 的特点 ， 但计算相对 复
２建 筑 结 构 健 康 监 测 中 的故 障诊 断 方 法
智能信息处理 技术以及各项技术相 融合 产生 的新方法 越来 越多在故障诊断领域得到应用 。 郑含博嘞 等将 最小 二乘 支持 向量 机与改进 的粒 子群优化算法相结合 。 引入最 小输 出编码 ， 实现了 变压器故障诊断 的多类分类 。 刘长 良［ 司 等人基于变分模态分解和 奇异值分解 的特征提取方法 ，对 同一负荷下 的已知故 障信 号进 行变分模态分解 ， 并采用 标准模糊 Ｃ均值 聚类进 行故障识别 ， 实 现精准 、 稳定地提取滚 动轴承故障特征 。程 声烽噔争 人设计 了一 种改进粒 子群 算法的小波神经 网络故障诊断模型 ，用 粒子群算 法对神经 网络进行训练 ， 加快 了小波神经 网络训 练速度 。 用 于变 压器故障诊断 。 随着结构 健康检测技术在建筑 方面越来越多 的应 用 ，创新 损伤识别 方法将成为结构健康 检测技术重要 的研究 方 向。智能 信息处理 技术具有处理不确定性数 据 、 可并行计 算等优点 ， 是计 算机科 学中前沿交叉技术 。 在故 障诊 断有极 大的优越性 ， 为建筑 健康监测提供新思路 。
【 ５ 】 郑含博． 基 于多分类最小二乘支持 向量机 和改进 粒子群优 化算 法的 电力 变压 器故 障诊 断方 法 Ｕ 】 ＿高压 电技 术， ２ ０ １ ４ （ １ １ ） ：
３４ ２ ４－３ ４ ２９．
［ ６ 】 刘长 良． 基 于 变分模 态分解和ຫໍສະໝຸດ Baidu 糊 ｃ均值 聚类 的滚动轴 承故障诊 断卟 中国电力工程学报， ２ ０ １ ５ （ １ ３ ） ： ３ ３ ５ ８ — ３ ３ ６ ５ ． 【 ７ 】 程声烽． 基 于改进粒子群 算法的小波神经 网络在变压器故 障诊 断 中的应用Ⅱ 】 ． 中国电力工程 学报， ２ ０ １ ４ （ １ ９ ） ： ３ ７ — ４ ２ ． 基金项 目： 国家 自然科 学基金 项 目（ ６ １ １ ０ ０ １ ５ ９ ） ； Ｌ Ｚ宁省 自然 科 学基金 项 目 （ ２ ０ １ １ ０ ２ １ ８ ０ ） ； 住房 和城 乡建设部科研 项 目（ ２ ０ １ ３ 一
１结构 健 康 检 测 技 术
１ ． １概 述
理工具 ， 小波分析 的重要应 用之一就是损伤识别 ， 可对平稳 信号
进行分析 、 提 取反应结 构状 态的特征数据。 （ ３ ） 支持 向量机基于统计学 习规律 ， 通 过寻求结构化风 险最 小， 实现经验风 险和 置信 范围 的最小化 ， 从而达到在统计样 本量 较小 的情况 下。用于故 障诊 断中 ，当故障样本较少时也 能达准 确、 高效 的诊 断效 果 ， 但可表达性 和可解释性差 。 （ ４ ） 模糊理论是用 于处理不确定 、 不精准 的模糊信 息的数学 工具 。由于故障实测数据的模糊性 、 相似性 ， 难以进行数据分析。 模糊 聚类 应用于故 障识别是 根据测量数据 的亲疏程度 实现分类 和识别 。 模 糊理论能处理不确定数据 ， 但对规则提取和隶属 函数 生成 困难 ， 因此经常与神经 网络相结合 ， 用 于故障检 测。 （ ５ ） 进 化算法用 于故 障检测 比较有代 表性 的有 人工免 疫算 法、 遗传算法和粒子群算法 。 进化算法根据生物界适者生存 的机
Ｗｏ ｒ ｌ ｄ Ｃｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈ —ｑ ｕ ａ ｋ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， ２ ０ ０ ４ ．
［ ３ ３宋秀青． １ 简介加利福尼 亚理 工学院建筑结构健康状 态的 实 时监 测和 智能评估 系统Ⅱ 】 冲 国地震动态 ， ２ ０ ０ ６ （ ４ ） ： ４ ２ — ４ ４ ．
Ｋ８ —３ ３ ）
当代青年 ２ ０ １ ５ ． １ ０ ２ ４ ５
杂。
３结 语
（ １ ） 传感 系统。传感 器是进 行健康 监测 的源头 ， 将速 度 、 位 移、 温度等待测物理 量通过转化为可传 递的电信号 ， 负责收集外 界信息 。 （ ２ ） 数据采集和处理系统。收集传感器输 出的数据并对数据 进行处理 ． 将采集到的数据储存并传输到检测 中心 。 （ ３ ） 结构健康诊断评估安全预警 。 根据建筑结构检测系统获 得 的实时信息 ， 准确评价建筑物 的安全 性 、 耐久 性和正常使用性 能。 为建筑物后期维护 和决策提供正确依据 。 （ ４ ） 数据管理子系统 。 该系统主要功能是储存建筑结构健康 监测 中获取 的数据 ， 实现数据修改 和删 除等 ， 直 接影响到整个检 测 系统 的方便性 和可靠 性。
［ ４ ］ Ｎｉ Ｖ， Ｘｉ ｎ Ｙ， Ｌ ｉ ａ ｏ Ｗ， ｅ ｔ ａ ｉ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｉ ｎ ｇ
ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕｃ ｔ ｕｒ ａ ｌ ｈｅ ｓ ｌ ｔ ｈ ｍ ｏ ｉｔ ｎ ｏ ｒ ｉ ｎｇ ｓ ｙｓ ｔ ｅ ｍ ｆ ｏｒ Ｇｕａ ｎｇ ｚ ｈ ｏｕ Ｎ ｅ ｗ ＴＶ
１ ． ３健 康 监 测 系统 的 国 内外 应 用
结构健康监测 系统最初主要应用 于桥 梁的健康监测 。随着 经济和建筑业 的发展 ， 人们对 于高层建筑 的安全性越来 越重视 ， 健康 检测技术在大型建筑 中的应用 日益发展起来 。 ２ Ｏ世纪 ８ ０年代 ，国外开始研究对 高层 建筑 物的健康监测 ， Ｍ． Ｃ ｅ ｌ ｅ ｂ等对 旧金山一栋钢结构 框架进行地震监测 ， 并成功 获得 了该结构在外加振 动激励下 的加速度 和位 移 ，为结构安全评估 研究提供 了有效资料１ ２ １ 。２ ０ ０ ２年 。 将建筑 实时监测 系统建立 于加 利福尼亚理工 大学图书馆 内， 当地震发生 。 采集到 的数字信号被 传到服务器上１ ３ ］ 。 在 国内 ， 瞿伟廉 等人在一个 长宽 为 ４ ８ ６ ｃ ｍ￣ １ ５ ６ ｃ ｍ的屋顶上 安装 了一套结 构健康检测 系统 ：中国地震局将复杂结构健 康监 测设备引入包 括北京 国家体育 场和 国家游泳 中心 的中国 ６大建 筑中， 检测 ６大建筑 的健康情况 ： 专家对 广州 ６ １ ０ ｍ高的新 电视 塔 的健康监控 是又一标志性应用 ，使 其成为 国内首个安装 了较 完善故障检测系统 的超 高层建筑 。