土木工程智能结构

土木工程智能结构

李惠1，欧进萍1,2

(1.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150090；2.大连理工大学，辽宁大连 116024)

Intelligent Civil Infrastructures

LI Hui , OU Jinping

(Harbin Institute of Technology, Heilongjiang Harbin 150090, China; Dalian University of Technology, Liaoning Dalian, 116024, China)

与传统土木工程结构相比，土木工程智能结构通过传统土木工程与智能材料、自动控制、信息技术等的交叉和融合，使其不仅具有传统土木工程结构的安全性、舒适性和耐久性，还具有自感知、自适应、自控制和自修复特性。虽然目前发展将上述全部功能集成于一身的土木工程智能结构还很困难，但具有其中某项、或某几项智能特性的土木工程结构已得到广泛和深入的研究。

土木工程智能结构包括智能材料、结构健康监测（自感知）、结构振动与损伤控制（自感知与自控制集成系统）、自修复土木工程结构、自升温智能混凝土材料与路面结构、碳纤维管/碳纳米纤维电磁屏蔽复合材料、基于智能材料的高性能土木工程结构等。

本文首先介绍应用于土木工程结构的光导纤维、纳米复合材料、磁流变液和电流变液、形状记忆合金和形状记忆聚合物、磁致伸缩材料、压电晶体和压电薄膜、纤维复合材料及其力电特性和智能器件，其中在土木工程领域应用最广泛的材料包括光导纤维、磁流变液和压电晶体。光导纤维主要作为传感材料，可以监测温度和应变，分为光纤光栅传感器和BOTDA分布式传感器两类，前者精度较高，后者精度可以达到20微应变，但可以实现分布式测量；磁流变液主要作用驱动材料，而压电晶体既可以作为驱动材料，也可以作为感知材料，尤其是压电阵列，可以实现主动和被动波动传播监测，是一种造价低廉的无损监测技术，作者系统研究了压电阵列被动声发射监测技术，并将其用于拉索疲劳损伤和复合材料结构地震损伤的监测中；纳米复合材料即可以作为传感材料，也可以作为阻尼材料和结构材料，是一种具有广阔研究和应用前景的功能材料，作者系统地研究了纳米水泥基复合材料和纳米树脂基复合材料，研究结果表明，纳米复合材料具有很好的感知特性，同时具有与土木工程结构很好的相容性和同寿命的特点，纳米混凝土还具有很好的力学性能，其抗疲劳性能和耐磨性能分别提高了500%和200%；除碳纤维外，纤维复合材料一般只用于结构材料，当将光纤复合于纤维复合材料时，纤维复合材料也具有感知特性，作者对碳纤维复合材料和复合光纤的纤维复合材料的感知性能进行了系统的研究。

然后介绍智能传感技术和传感网络，结构健康监测系统集成技术，结构健康监测系统设计方法，结构健康诊断理论，结构健康监测的数据挖掘技术，基于结构健康监测的建模方法；结构非线性模型识别方法。这一部分是结构健康监测的核心关键问题，结构健康诊断理论主要针对线性结构，包括结构损伤识别方法，结构模型修正方法和结构安全评定及可靠度预测方法，目前发展了多种结构损伤识别方法，主要基于振动的结构损伤识别方法，基于智能算法的结构损伤识别方法，基于非线性动力学的结构损伤识别方法，作者研究了基于信息融合和信息熵的基于智能算法的结构损伤识别方法，以及基于分形的结构损伤识别方法（基于非线性动力学）；模型修正往往是指有限元模型修正，包括确定性有限元模型修正和随机有限元模型修正及其他不确定性模型修正方法；结构安全评定包括基于监测数据的直接安全评定、基于损伤识别的安全评定和基于有限元模型的安全评定。结构健康监测的数据挖掘技术主要是通过对监测数据的分析和特征提取，揭示结构的损伤特征；利用采集的数据，可以对结构的荷载、环境和响应进行建模，作者研究了基于监测数据和交通规划理论的车辆荷载全寿命极值荷载分布和疲劳荷载谱，利用监测的应变数据，研究了结构全寿命极值应力分布，并据此进行结构可靠度预测分析。在强烈地震作用下，结构可能进

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本文为国家自然科学基金重点项目(50538020)和国家杰出青年科学基金(50525823)，以及国家973项目（2007CB714204）、国家863计划项目（2007AA04Z435）国家科技支撑计划项目（2006BAJ03B05-B06-07，2006BAJ13B03）资助。作者简介：李惠 (1966—)，女，济南市人，教授，博士，从事智能土木工程结构和结构防灾减灾研究(E-mail: lihui@n) ;欧进萍 (1959—)，男，湖南宁远人，中国工程院院士，教授，博士，从事土木工程结构和工程力学研究(Email:oujinping@,oujinping@).

入非线性反应阶段，其模型识别理论与线性结构模型识别理论不同，作者提出采用扩展Kalman滤波器和小波逼近混合方法以估计非线性结构的全部状态和识别结构的非线性滞变模型，该方法仅需要已知结构少量的状态和初始弹性模型，从而解决了以前或者需要测试结构全部反应信息，或者需要已知结构非线性模型的非线性系统状态估计和模型辨识问题。

其次介绍结构振动控制系统及其建模方法和模型，线性和非线性结构振动控制理论，结构损伤控制体系及其分析方法。作者主要研究了主动、被动和智能控制系统及其建模方法和模型，被动控制系统主要包括多种耗能器，而主动控制系统主要为AMD，智能控制系统包括磁流变阻尼器等；针对斜拉索分布参数体系，提出了基于一点反馈的分布参数体系主动和半主动控制算法；研究了基于神经网络和模糊算法的非线性结构振动控制算法，讨论了其稳定性和鲁棒性；近年来，研究了结构损伤控制体系，提出了损伤界限确定准则，比较了不同损伤模式下结构体系的抗震能力。

再次，介绍钢筋混凝土结构损伤自修复方法和纤维复合材料混凝土结构损伤自修复方法，结构损伤自修复力学性能的建模和分析方法。研究了基于胶囊的钢筋混凝土结构自修复方法，并通过试验进行了验证；研究了将形状记忆合金埋入混凝土梁中，利用形状记忆效应产生恢复力，总而实现混凝土裂缝的修复，研究了形状记忆合金的形状记忆效应及其影响因素，研究了形状记忆合金对混凝土裂缝损伤修复全过程及其力学行为，研究了基于损伤指数的钢筋混凝土梁损伤修复方法；近年来，研究了纤维复合材料自修复方法，提出将胶体放入剪力键，通过延性设计，是不同位置的剪力键逐渐发挥自修复作用，通过试验和理论分析，研究和验证了修复效果和修复全过程的力学行为。

介绍碳纤维自升温混凝土材料的电热特性，碳纳米管复合材料电热特性、基于导电材料的融雪化冰路面结构。研究了碳纤维自升温混凝土材料的制备方法，通过试验，研究了其电热特性，分析了其融雪化冰的效率；研究了碳纳米管复合材料的制备方法，通过试验，研究了其电热特性。

介绍碳纤维管/碳纳米纤维复合材料的电学特性及其电磁屏蔽特性。

介绍纤维复合材料桥梁和纳米混凝土结构。主要包括纤维复合材料斜拉桥的设计、建造及其健康监测系统，该模型已经成为研究纤维复合材料桥梁结构长期耐久性及其监测技术的标准试验模型；研究了纤维复合材料桥墩的耐久性和抗震性能；最后，研究了纳米混凝土材料的抗压、抗拉强度，弹性模量，抗氯离子能力、抗冻融能力、抗疲劳性能、耐磨性能和抗冲击性能，研究了纳米混凝土路面的全寿命设计方法。

最后，介绍智能土木工程结构的工程应用，包括在桥梁结构、海洋平台结构、建筑结构、路面工程等的应用，既包括健康监测的应用，也包括结构振动控制的应用。

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