大跨空间杆系结构的健康监测技术研究

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摘要:大跨空间杆系结构在使用过程中,不可避免地受到环境、荷载、疲劳、腐蚀、老化等不利因素的影响,将使结构存在重大的安全隐患,因此对大跨空间杆系结构的健康监测研究具有重要的理论价值和实际意义。本文介绍和阐述了我国目前大跨空间杆系结构监测状况,并对大跨空间杆系结构健康监测技术进行综述。

关键词:大跨;空间杆系;健康检测

1. 引言

随着经济和科学技术的飞速发展以及人们的需求,大跨空间杆系结构在我国得到了广泛的应用和发展。但由于大跨空间杆系结构复杂,跨度大,且所受荷载具有随机性,因此发生损伤和破坏的潜在危险很大。例如,日本阪神剧院屋盖阶梯状柱面网壳,1995年地震作用下支座附件杆件失稳、部分杆件中部以及杆件和节点连接部位被剪断;2000年四月某大型煤棚突然整体倒塌;波兰霍茹夫展厅,2006年因积雪太厚坍塌;更值得指出的是我国在2008年年初的雪灾中有大量的空间杆系结构发生了不同程度的坍塌破坏。可见,对大跨空间杆系结构进行健康监测和安全评估是目前乃至今后的一个重要研究课题。而有效的结构健康监测手段能够实时地诊断结构发生缺陷的位置和程度,使结构能够及时的得到修复和加固,从而确保结构的整体安全性,避免带来重大的事故和经济损失。

2. 大跨空间杆系结构健康状况监测技术

2.1 非破坏性监测技术

非破坏性监测技术[1]是指不与结构构件表面或内部接触即可实施的监测技术。主要有红外热像监测法、超声监测法、脉冲雷达法和X射线监测法等。他们的主要特点是不与结构或构件相接触、仅需少量人员操作仪器、工作效率高。但这些监测方法的缺点是它们大多都是定性的,难以进行实时、长期的监测, 且受外界条件制约较多,特别是对于超大型的空间杆系结构目前难以适用。

2.2 结构构件中加入智能材料 / 器件构成健康监测系统

这种监测方法是将智能材料/器件这种智能材料/器件(如压电材料、光纤光栅传感器、磁制伸缩材料等)黏贴或通过其他方式与空间杆系结构的构件连接融合在一起组成智能的结构健康监测系统。该监测系统的优点是能够大规模、长距离、长时间、实时的对大跨空间杆系结构进行健康监测,是目前应用最广,发展较快,技术也相对成熟的一种结构健康监测技术。

2.2.1加入压电材料传感器的健康监测方法

基于压电材料传感器[2]的大跨空间杆系结构健康监测技术主要包含两个方面:一、压电阻抗技术。空间杆系结构构件发生损伤会引起其交流阻抗产生变化,利用压电材料的机电耦合效应,当给于压电材料施加交流电场时,压电材料与结构构件会产生机械振动,这种机械振动通过逆压电效应在压电材料内产生电响应,这种电响应表现为压电材料的阻抗变化,最后再将监测到的压电材料阻抗与结构在无缺陷时的压电材料阻抗谱作对比,就可以判断出结构的损伤情况。二、压电波监测技术。用压电材料来激发应力波,例如LAMB波和RAYL EIGH波等,通过分析监测信号的差异来识别结构缺陷。在常用的压电材料中,压电陶瓷具有频率响应高、频带宽、线性好、可方便的布设、自身成本低、有良好的机电耦合性以及对温度不敏感等优点,在实际工程中应用较为广泛。

2.2.2加入光纤光栅传感器的健康监测技术

光纤光栅传感器[3-5]是目前结构健康监测的首选传感器,光纤光栅传感器的工作原理是借助某种装置将被测参量的变化转化为作用于光纤光栅上的应变或温度的变化,从而引起光纤光栅布拉格波长的变化,再通过建立并标定光纤光栅的应变或温度响应与被测参量变化关系,就可以由光纤光栅波长的变化来测出被测参量的变化。例如对于空间大跨结构的主体支撑结构钢牛腿,它的受力状态很复杂,通过一般的应变传感器只能测量到构件的表面的应变。在实际工程中,先通过结构有限元的计算,选取关键点,再通过对牛腿关键点表面应变的测量,来为牛腿的检测提供数据。对于大跨空间杆系结构,一般认为构件只存在轴向应力和轴向应变,所以光纤光栅的布设只要尽量能够保证其与杆件轴线方向一致,就能够检测到杆件的应变。

光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器能以高分辨率测量许多物理参数本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等优点外还有一些明显优于其它光纤传感器的地方,其中最重要的就是光纤光栅传感器的传感信号为波长调制,这一传感机制的好处在于: (1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响; (2)避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要; (3)能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行准分布式测量。具有这些优点的光纤光栅传感器非常适合大型结构的多种参数的长期健康监测。例如2008北京奥运会修建的国家体育场“鸟巢”就是采用光栅光纤传感器构成的智能健康监测系统。目前,光栅光纤传感器已经在很多领域得到了应用,并且许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定,更可靠,更准确。

3. 结语

大跨空间杆系结构的健康监测技术是多学科理论、方法和技术相互结合交叉的一个新兴研究领域,涉及到土木工程、现代数学、现代力学、信息技术与计算机科学等众多学科的知识,在应用上又与其他许多领域的工程技术密切相关。目前,随着科技的发展,高性能的传感器与先进的传感技术不断出现,满足了各类工程结构的健康监测的需求,但在结构健康监测信号的降噪处理与损伤识别技术上近年来一直没有较大进步和突破,特别是对“结构可使用的寿命”这一问题至今也没有一个完善的求解方案。这还需要长时间的实验和现实工程数据研究以填补这一空白。

参考文献:

[1]D. M. McCann and M. C. Forde. Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures, NDT & E International, 34(2):71-84(2001).

[2]F. Sun, Z. Chaudhry, C. Liang and C. A. Rogers. Truss structure integrity identification using PZT sensor-actuator. J of Intelligent Material Systems and Structures, 16(2):134-139(1995).

[3]张家坤,弓俊青等.光纤光栅传感技术在土木工程结构监测中的应用.北方交通大学学报.2003.5

[4]万里冰,武湛君.埋光纤光栅传感器智能土木结构应变监测.力学与实践.2003.4

[5]欧进萍,关新春.土木工程智能结构体系的研究与发展.地震工程与工程振动.1992