智能土木結(jié)構(gòu)理論初探

1、智能土木結(jié)構(gòu)理論初探 摘要：本文回顧了有關(guān)“智能材料結(jié)構(gòu)”在土木領(lǐng)域的最新進(jìn)展，明確地涵定了“智能土木結(jié)構(gòu)”的基本概念及其發(fā)展過程，較為系統(tǒng)地闡述了構(gòu)成其理論體系的有關(guān)內(nèi)容及問題。提出了結(jié)構(gòu)智能化三水準(zhǔn)概念及智能土木結(jié)構(gòu)的分類方法，建議了今后研究的策略及幾個主要方向。關(guān)鍵詞：智能土木結(jié)構(gòu)，智能材料，自診斷智能土木結(jié)構(gòu)，智能控制，嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)1.引言建筑起初是為了滿足人類生活的舒適要求和安全要求而產(chǎn)生的。原始時代的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽風(fēng)雨防侵襲的封閉空間。隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷發(fā)展，人類對建筑的要求也日益復(fù)雜和多樣化，結(jié)構(gòu)作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求。

2、現(xiàn)代大型建筑物如高層建筑、大跨橋梁、大型水壩、地下建筑等都要求其土木結(jié)構(gòu)能提供更高的強(qiáng)度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同時，在現(xiàn)代社會中，這些大型建筑物在整個國民經(jīng)濟(jì)中所發(fā)揮的作用已日益重要，這也尤其要求它們應(yīng)具有更強(qiáng)的防止災(zāi)害的能力。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多通過提高建筑材料的物理力學(xué)性能、采用合理的結(jié)構(gòu)形式、加強(qiáng)施工管理以及定期結(jié)構(gòu)評估與維護(hù)等傳統(tǒng)手段來達(dá)到并滿足這些要求。然而，這些傳統(tǒng)的手段均屬一種消極的、被動的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人們便失去了對結(jié)構(gòu)的全面控制，結(jié)構(gòu)失效、結(jié)構(gòu)災(zāi)害的發(fā)生便不以其設(shè)計者、建造者、使用者的意志為轉(zhuǎn)移了，人們對它的預(yù)測及防范工作都將是一件十分困難的事情。

3、另外，若單純地依靠以往那種要求保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強(qiáng)度及延性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計理念，當(dāng)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟(jì)，又達(dá)不到預(yù)期的效果。考察眾多建筑災(zāi)害實(shí)例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。其原因在于：1）由于結(jié)構(gòu)抗力的衰減、正常范圍內(nèi)的損傷積累而致使的強(qiáng)度及可靠性的降低；2）由于材料的老化、腐蝕及力學(xué)性能的劣化（如徐變等）而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)耐久性失效；3）由于施工質(zhì)量和使用不當(dāng)而給結(jié)構(gòu)造成的隱患以及損害；4）由于結(jié)構(gòu)長期遭受動荷載作用而造成的疲勞失效；5）由于偶然的超載（如地震荷載、爆炸沖擊荷載等）造成的破壞。以上這些原因都對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及安全性

4、提出傳統(tǒng)設(shè)計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測進(jìn)而由結(jié)構(gòu)自身作出智能化反應(yīng)就顯得十分必要了。2.智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀2.1智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步促使了人類社會進(jìn)入了信息時代，信息材料的生產(chǎn)業(yè)已實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸地進(jìn)入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅(qū)動材料緊密地融合于結(jié)構(gòu)中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現(xiàn)代計算機(jī)集成于結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學(xué)、電磁

5、等激勵和控制，使結(jié)構(gòu)不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結(jié)構(gòu)將能進(jìn)行參數(shù)（如應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學(xué)反應(yīng)）的檢測及檢測數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實(shí)時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、強(qiáng)度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結(jié)構(gòu)具有自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。這就是智能土木結(jié)構(gòu)概念的形成過程。文獻(xiàn)將智能結(jié)構(gòu)定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱之為智能材料結(jié)構(gòu)”?？梢姡悄芙Y(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能的升華。智能結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用便稱之為

6、智能土木結(jié)構(gòu)。2.2研究現(xiàn)狀如前所述，智能土木結(jié)構(gòu)概念是為了解決評估結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)報，不僅會大大減小維修費(fèi)用，而且能增強(qiáng)預(yù)測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術(shù)均不能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，也不能很好地預(yù)報結(jié)構(gòu)的破損情況和進(jìn)行完整性的評估。這些方法的致命缺點(diǎn)是預(yù)報方式是自外而內(nèi)的，從信息傳播角度看，難免會夾雜進(jìn)種種干擾信息，從而使檢測結(jié)果失真、低效率，甚至?xí)?dǎo)致完全錯誤的檢測結(jié)果。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入傳感器，組成網(wǎng)絡(luò)，就可實(shí)時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能，這就是智能土木結(jié)構(gòu)的自內(nèi)而外的預(yù)報方式。智能土木結(jié)構(gòu)在這些方面有很好的應(yīng)用前景，目前主要應(yīng)用于高層建筑、橋

7、梁、大壩等工程領(lǐng)域。美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，用驗(yàn)證設(shè)計中的一些假定，監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，如在佛羅里達(dá)州的SunshineSkywayBridge橋上就安裝了數(shù)百個傳感器2.英國80年代后期開始研究和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設(shè)備。在我國，香港的LantanFixedCrossingBridge、青馬大橋，以及大陸的虎門橋、江陰長江大橋也都在施工期間裝設(shè)了傳感系統(tǒng)，用以于監(jiān)測建成后大橋的服役安全狀態(tài)3.1993年加拿大在Calgary建造的BeddingTrail大橋上首次成功地布置了光纖布拉格光柵傳感器，用以監(jiān)測橋梁內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)。在其它土木工程領(lǐng)域，如在采油平

8、臺、大壩、船閘等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中也曾嘗試布置傳感器來構(gòu)建智能結(jié)構(gòu)。同樣，近年來發(fā)展起來的高性能、大規(guī)模分布式智能傳感元器件也為民用建筑及結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，對結(jié)構(gòu)的智能振動控制方面的研究已有近30年的歷史了4.3.智能土木結(jié)構(gòu)理論的體系構(gòu)成3.1結(jié)構(gòu)智能化歷程的層次劃分傳統(tǒng)的土木結(jié)構(gòu)是一種被動結(jié)構(gòu)，一經(jīng)設(shè)計、制造完成后，其性能及使用狀態(tài)將很大程度上存在著不可預(yù)知性和不可控制性，這就給結(jié)構(gòu)的使用和維護(hù)帶來不便。為了解決這一問題，發(fā)展出了在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)，它賦予傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)以在線監(jiān)測機(jī)制，從而為探知結(jié)構(gòu)內(nèi)部性能打開了窗口，

9、使人員可以方便地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部物理、力學(xué)場的演變情況，這就是結(jié)構(gòu)智能化的第一層次。在在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加了監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能處理機(jī)制，使得結(jié)構(gòu)具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了第二層次的智能化。進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)中引入自適應(yīng)及自動控制機(jī)制，即根據(jù)自診斷自推理的成果，由在結(jié)構(gòu)中耦合的作動系統(tǒng)做出必要的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)智能控制結(jié)構(gòu)，這就是第三層次的智能化。比如，對結(jié)構(gòu)的開裂、變形行為，結(jié)構(gòu)的銹蝕、老化、損傷行為，以及結(jié)構(gòu)的動力振動行為做出抑制性控制，在更高層次上對結(jié)構(gòu)起到保護(hù)和維修作用?？梢姡诮Y(jié)構(gòu)智能化演化過程中，按其智能化程度的不同可劃分為如下三個層次：22第一層次：自感知土木結(jié)

10、構(gòu)（Self-sensoryCivilStructure），它是智能結(jié)構(gòu)的最低級形式；22第二層次：自診斷智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentSelf-diagnosticCivilStructure），具有對前一層次結(jié)果的智能化加工處理，包括結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)物理場的自我計算，對結(jié)構(gòu)特定目標(biāo)參數(shù)的自我診斷，以及以做出結(jié)構(gòu)自身行為的應(yīng)對策略為目標(biāo)的自我推理等功能。22第三層次：智能控制土木結(jié)構(gòu)（IntelligentControlCivilStructure），它是智能土木結(jié)構(gòu)的最高形式。3.23.2智能土木結(jié)構(gòu)分類智能土木結(jié)構(gòu)按其材料可分為兩種類型，分述如下：1）嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)：在基體材料如鋼

11、結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進(jìn)現(xiàn)代計算機(jī)硬件軟件技術(shù)，由傳感元件采集和檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，由計算機(jī)對這些信息進(jìn)行加工處理，并將處理結(jié)果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵驅(qū)動元件執(zhí)行相應(yīng)動作。其工作原理如圖（2）所示。屬于這種類型的智能結(jié)構(gòu)只需對傳統(tǒng)土木結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)即可，無須額外研究結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)力學(xué)性能，易于做到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與智能結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡，故而成為研究的焦點(diǎn)。2）基體、智能材料耦合結(jié)構(gòu)：某些結(jié)構(gòu)材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學(xué)、物理狀態(tài)的改變而改變自身的一些其它性能。如碳纖維混凝土材料能隨自身受力情況而改變其導(dǎo)電性能，只要探測到這一改變

12、，便可以間接獲得結(jié)構(gòu)的內(nèi)部力學(xué)信息。 按照結(jié)構(gòu)智能化目的的不同，又可將其分為如下幾類：1）具有裂縫自診斷和自愈合功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；2）具有應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；3）具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結(jié)構(gòu)；4）具有疲勞壽命預(yù)報能力的智能土木結(jié)構(gòu)；5）具有監(jiān)測鋼筋或鋼構(gòu)件銹蝕狀態(tài)能力的智能土木結(jié)構(gòu)；6）具有感知和自我調(diào)節(jié)功能的智能減振（橋梁）結(jié)構(gòu)；3.3智能土木結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容3.3.1智能化策略性研究智能土木結(jié)構(gòu)的首要研究內(nèi)容就是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能化的概念設(shè)計策略性研究。需要針對結(jié)構(gòu)類型及其重要性的不同，以及現(xiàn)有工藝技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)資金情況等多個方面因素，合理地確定智能化目標(biāo)，在

13、兼顧技術(shù)先進(jìn)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)節(jié)省的前提下采用合理功能層次的智能土木結(jié)構(gòu)。確定了智能化目標(biāo)以后，就需要著手做一些準(zhǔn)備工作，它們是：對結(jié)構(gòu)在使用中可能發(fā)生的各種行為進(jìn)行預(yù)測，對結(jié)構(gòu)在力學(xué)物理環(huán)境下出現(xiàn)的各種反應(yīng)進(jìn)行預(yù)估，以確定結(jié)構(gòu)中需要實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控的部位，確定整體監(jiān)控方案。3.3.2傳感元件（Sensor）研究另外一項重要研究內(nèi)容就是傳感元件。感覺是智能土木結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性功能，它利用在傳統(tǒng)建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結(jié)構(gòu)耦合材料）來采集各種信息，經(jīng)過處理分析，才可實(shí)現(xiàn)自診斷、自驅(qū)動等智能控制功能。有鑒于此，應(yīng)對傳感元件提出一些特殊要求如下：1）尺寸細(xì)微，不影響結(jié)構(gòu)外形；2）與基體結(jié)構(gòu)耦合良

14、好，對原結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度影響很小；3）性能穩(wěn)定可靠，耐久性好，與基體結(jié)構(gòu)有著相同的使用壽命；4）傳感的覆蓋面要寬；5）信號頻率響應(yīng)范圍要寬；6）能與結(jié)構(gòu)上其它電氣設(shè)備兼容；7）抗外界干擾能力強(qiáng)；8）能在結(jié)構(gòu)的使用溫度及濕度范圍內(nèi)正常工作?？闪腥胙芯糠秶脑校汗鈱?dǎo)纖維，壓電陶瓷，電阻應(yīng)變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。3.3.3作動材料（Actuator）研究智能土木結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的智能控制，而控制是由作動材料實(shí)現(xiàn)的。利用某些存在物理耦合現(xiàn)象的材料，尤其是機(jī)械量與電、熱、磁、光等非機(jī)械量的耦合材料，作為結(jié)構(gòu)的作動件?？梢酝ㄟ^控制非機(jī)械量的變化來獲取結(jié)構(gòu)特性（形狀、剛度、位置、應(yīng)力

15、應(yīng)變狀態(tài)、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達(dá)到作動目的。對它的要求主要有：1）與基體結(jié)構(gòu)耦合良好，結(jié)合強(qiáng)度高；2）作動元件本身的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高；3）驅(qū)動方法簡單安全，對基體結(jié)構(gòu)無影響，激勵能量??；4）激勵后能產(chǎn)生高效穩(wěn)定的控制，反復(fù)激勵下性能穩(wěn)定；5）頻率響應(yīng)范圍寬，響應(yīng)速度快，并可控制；常用的作動材料有記憶型合金、壓電材料、記憶聚合物以及聚合膠體等。目前有關(guān)作動元件的研究正在一些領(lǐng)域展開，如董聰、Crawlay等人評述了幾種常用作動/傳感材料的性能。3.3.4智能結(jié)構(gòu)信息處理智能土木結(jié)構(gòu)要成為有機(jī)的整體，還須借助于信息的流動控制及加工處理。只有使信息在環(huán)境、結(jié)構(gòu)、傳感器、信息處理中樞及作

16、動系統(tǒng)之間有序地流動，并同時進(jìn)行加工處理，方可使結(jié)構(gòu)具有智能功能。其信息流動可如下圖所示：由此可見，應(yīng)首先對數(shù)據(jù)采集予以研究。這包括各種傳感器信號的A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理通訊接口軟硬件的研制8.作為一種嘗試，筆者利用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)應(yīng)變儀與微機(jī)在線通訊的硬件組建及計算機(jī)數(shù)據(jù)接受軟件的開發(fā)，初步的結(jié)果表明，建立土木結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測是完全可以做得到的。其次，應(yīng)著重研究輸入到計算機(jī)中的數(shù)據(jù)的智能化處理算法，以及相應(yīng)軟件的開發(fā)。算法的核心目標(biāo)應(yīng)為對結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)、物理場的全面計算。在此，應(yīng)注意算法的快速性，避免因算法過于復(fù)雜而失去了智能結(jié)構(gòu)的機(jī)敏、實(shí)時特性9.接著，應(yīng)對結(jié)構(gòu)的健康診斷及安全評定

17、方法予以研究。包括結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模，參數(shù)空間的模式識別，損傷評定，體系可靠性分析，以及人工智能的應(yīng)用。最后需要研究的是結(jié)構(gòu)控制機(jī)理、結(jié)構(gòu)局部損傷修復(fù)方法、結(jié)構(gòu)振動控制機(jī)理等問題。4.結(jié)論及研究建議智能土木結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、自動控制技術(shù)發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物。它涉及到結(jié)構(gòu)和建造的重大變革，涉及到當(dāng)今土木工程、材料科學(xué)、自動控制、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、信息通訊、人工智能等眾多領(lǐng)域內(nèi)的前沿技術(shù)。正如建筑業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)各部門原動力一樣，智能土木結(jié)構(gòu)及智能建筑不僅對于未來土木界的發(fā)展意義重大，而且對于目前主要的高科技領(lǐng)域而言也具有重要的意義，它的研發(fā)及實(shí)現(xiàn)必將進(jìn)一步帶動其它高科技領(lǐng)域的進(jìn)一步提高，是土木工程界的知識經(jīng)濟(jì)。毋須置言，對它的研究工作應(yīng)首先要求結(jié)構(gòu)工程師投入極大的努力，更新觀念，注意吸取其它領(lǐng)域的思想，成為智能土木結(jié)構(gòu)研究的主體，同時還需結(jié)構(gòu)工程師同相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人員緊密配合，建立科學(xué)化的研究管理機(jī)制，才能完成這個系統(tǒng)工程。在具體的研究中，筆者給出了幾點(diǎn)建議，謹(jǐn)供業(yè)內(nèi)參考：1）對于土木工程中普遍使用鋼筋混凝土（包括RC，PC，PPC）、鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，建議以嵌入式智能結(jié)構(gòu)的研究為重點(diǎn)。這樣做的好處在于能最大限度地利用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)理論知識，使研究的重點(diǎn)放在未知的附加智能化功能的研究上來，同時還能使智能化經(jīng)濟(jì)可行，也可做到工藝水平的傳統(tǒng)與未來的連續(xù)。另外，這