智能土木结构理论初探

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摘要： 本文回顾了有关“智能材料结构”在土木领域的最新进展，明确地涵定了“智能土木结构”的基本概念及其 发展 过程，较为系统地阐述了构成其 理论 体系的有关 内容 及 问题 。提出了结构智能化三水准概念及智能土木结构的分类 方法 ，建议了今后 研究 的策略及几个主要方向。关键词： 智能土木结构，智能材料，自诊断智能土木结构，智能控制，嵌入式智能土木结构1.引言 建筑起初是为了满足人类生活的舒适要求和安全要求而产生的。原始 时代 的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽风雨防侵袭的封闭空间。随着 社会 生产力水平的不断发展，人类对建筑的要求也日益复杂和多样化，结构作为建筑的核心骨架，人们也对其提出了更高水平的要求。 现代 大型建筑物如高层建筑、大跨桥梁、大型水坝、地下建筑等都要求其土木结构能提供更高的强度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同时，在现代社会中，这些大型建筑物在整个国民 经济 中所发挥的作用已日益重要，这也尤其要求它们应具有更强的防止灾害的能力。传统的结构大多通过提高建筑材料的物理力学性能、采用合理的结构形式、加强施工管理以及定期结构评估与维护等传统手段来达到并满足这些要求。然而，这些传统的手段均属一种消极的、被动的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人们便失去了对结构的全面控制，结构失效、结构灾害的发生便不以其设计者、建造者、使用者的意志为转移了，人们对它的预测及防范工作都将是一件十分困难的事情。另外，若单纯地依靠以往那种要求保证结构具有足够的刚度、强度及延性的传统结构工程设计理念，当结构所处环境因素超越某种程度以后，就会将既不经济，又达不到预期的效果。考察众多建筑灾害实例，人们发现，在整个建筑结构的设计寿命期内，都有可能发生结构失效。其原因在于：1）由于结构抗力的衰减、正常范围内的损伤积累而致使的强度及可靠性的降低；2）由于材料的老化、腐蚀及力学性能的劣化（如徐变等）而导致的结构耐久性失效；3）由于施工质量和使用不当而给结构造成的隐患以及损害；4）由于结构长期遭受动荷载作用而造成的疲劳失效；5）由于偶然的超载（如地震荷载、爆炸冲击荷载等）造成的破坏。以上这些原因都对结构的强度及安全性提出传统设计方法无法满足的要求。因而，对建筑结构进行实时监测进而由结构自身作出智能化反应就显得十分必要了。2.智能土木结构（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究现状 2.1智能土木结构（IntelligentCivilStructure）概念的形成现代材料技术的发展进步促使了人类社会进入了信息时代，信息材料的生产业已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐地进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代 计算 机集成于结构大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等激励和控制，使结构不仅有承受建筑荷载的能力，还具有自感知、自 分析 计算、自推理及自我控制的能力。具体说来，结构将能进行参数（如应变、损伤、温度、压力、声音、化学反应）的检测及检测数据的传输，具有一定的数据实时计算处理能力，包括人工智能诊断推理，以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力，简言之，即使结构具有自诊断、自 学习 、自适应、自修复的能力。这就是智能土木结构概念的形成过程。文献 将智能结构定义为：“将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件（结构）具有人们期望的智能功能，这种结构称之为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构的功能的升华。智能结构在土木结构中的 应用 便称之为智能土木结构。2.2研究现状如前所述，智能土木结构概念是为了解决评估结构强度、完整性、安全性及耐久性问题而提出的。对土木建筑结构的性能进行监测及预报，不仅会大大减小维修费用，而且能增强预测的能力。近来出现的无损检测技术均不能对结构进行实时监测，也不能很好地预报结构的破损情况和进行完整性的评估。这些方法的致命缺点是预报方式是自外而内的，从信息传播角度看，难免会夹杂进种种干扰信息，从而使检测结果失真、低效率，甚至会导致完全错误的检测结果。在结构内部埋入传感器，组成 网络 ，就可实时监测结构的性能，这就是智能土木结构的自内而外的预报方式。智能土木结构在这些方面有很好的应用前景， 目前 主要应用于高层建筑、桥梁、大坝等工程领域。美国80年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用验证设计中的一些假定，监视施工质量和服役安全状态，如在佛罗里达州的SunshineSkywayBridge桥上就安装了数百个传感器[2].英国80年代后期开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备。在我国，香港的LantanFixedCrossingBridge、青马大桥，以及大陆的虎门桥、江阴长江大桥也都在施工期间装设了传感系统，用以于监测建成后大桥的服役安全状态[3].1993年加拿大在Calgary建造的BeddingTrail大桥上首次成功地布置了光纤布拉格光栅传感器，用以监测桥梁内部的应变状态。在其它土木工程领域，如在采油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中也曾尝试布置传感器来构建智能结构。同样，近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感元器件也为民用建筑及结构的智能监测系统的发展提供了基础，智能大厦在我国已如雨后春笋般地涌现。在民用建筑结构的应用方面，对结构的智能振动控制方面的研究已有近30年的 历史 了[4].3.智能土木结构理论的体系构成 3.1结构智能化历程的层次划分传统的土木结构是一种被动结构，一经设计、制造完成后，其性能及使用状态将很大程度上存在着不可预知性和不可控制性，这就给结构的使用和维护带来不便。为了解决这一问题，发展出了在线监测结构，它赋予传统土木结构以在线监测机制，从而为探知结构内部性能打开了窗口，使人员可以方便地了解结构内部物理、力学场的演变情况，这就是结构智能化的第一层次。在在线监测结构的基础上，进一步增加了监测数据的智能处理机制，使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力，从而使结构实现了第二层次的智能化。进一步在结构中引入自适应及自动控制机制，即根据自诊断自推理的成果，由在结构中耦合的作动系统做出必要的反应，从而实现智能控制结构，这就是第三层次的智能化。比如，对结构的开裂、变形行为，结构的锈蚀、老化、损伤行为，以及结构的动力振动行为做出抑制性控制，在更高层次上对结构起到保护和维修作用。可见，在结构智能化演化过程中，按其智能化程度的不同可划分为如下三个层次：22第一层次：自感知土木结构（Self-sensoryCivilStructure），它是智能结构的最低级形式；22第二层次：自诊断智能土木结构（IntelligentSelf-diagnosticCivilStructure），具有对前一层次结果的智能化加工处理，包括结构内部力学物理场的自我计算，对结构特定目标参数的自我诊断，以及以做出结构自身行为的应对策略为目标的自我推理等功能。22第三层次：智能控制土木结构（IntelligentControlCivilStructure），它是智能土木结构的最高形式。3.23.2智能土木结构分类智能土木结构按其材料可分为两种类型，分述如下：1）嵌入式智能土木结构：在基体材料如钢结构、钢筋混凝土结构中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的材料或仪器，并集成进现代计算机硬件软件技术，由传感元件采集和检测结构内部信息，由计算机对这些信息进行加工处理，并将处理结果通知控制处理器，由控制处理器指挥、激励驱动元件执行相应动作。其工作原理如图（2）所示。属于这种类型的智能结构只需对传统土木结构加以改进即可，无须额外研究结构的传统力学性能，易于做到传统结构与智能结构的平稳过渡，故而成为研究的焦点。2）基体、智能材料耦合结构：某些结构材料本身就具有智能功能，它们能够随着自身力学、物理状态的改变而改变自身的一些其它性能。如碳纤维混凝土材料能随自身受力情况而改变其导电性能，只要探测到这一改变，便可以间接获得结构的内部力学信息。按照结构智能化目的的不同，又可将其分为如下几类：1）具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构；2）具有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构；3）具有变形、损伤自诊断功能的智能混凝土结构；4）具有疲劳寿命预报能力的智能土木结构；5）具有监测钢筋或钢构件锈蚀状态能力的智能土木结构；6）具有感知和自我调节功能的智能减振（桥梁）结构；3.3智能土木结构的 研究  内容 3.3.1智能化策略性研究智能土木结构的首要研究内容就是对传统结构智能化的概念设计策略性研究。需要针对结构类型及其重要性的不同，以及现有工艺技术水平和 经济 资金情况等多个方面因素，合理地确定智能化目标，在兼顾技术先进性、实用性和经济节省的前提下采用合理功能层次的智能土木结构。确定了智能化目标以后，就需要着手做一些准备工作，它们是：对结构在使用中可能发生的各种行为进行预测，对结构在力学物理环境下出现的各种反应进行预估，以确定结构中需要实现智能化监控的部位，确定整体监控方案。3.3.2传感元件（Sensor）研究另外一项重要研究内容就是传感元件。感觉是智能土木结构的基础性功能，它利用在传统建筑材料中埋入传感元件（或利用传感、结构耦合材料）来采集各种信息，经过处理 分析 ，才可实现自诊断、自驱动等智能控制功能。有鉴于此，应对传感元件提出一些特殊要求如下：1）尺寸细微，不 影响 结构外形；2）与基体结构耦合良好，对原结构材料强度影响很小；3）性能稳定可靠，耐久性好，与基体结构有着相同的使用寿命；4）传感的覆盖面要宽；5）信号频率响应范围要宽；6）能与结构上其它电气设备兼容；7）抗外界干扰能力强；8）能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。可列入研究范围的元件有：光导纤维，压电陶瓷，电阻应变丝，疲劳寿命丝，锈蚀传感器，碳纤维等。3.3.3作动材料（Actuator）研究智能土木结构的最终目标是实现结构的智能控制，而控制是由作动材料实现的。利用某些存在物理耦合现象的材料，尤其是机械量与电、热、磁、光等非机械量的耦合材料，作为结构的作动件。可以通过控制非机械量的变化来获取结构特性（形状、刚度、位置、应力应变状态、频率、阻尼、摩阻等）的改变，从而达到作动目的。对它的要求主要有：1）与基体结构耦合良好，结合强度高；2）作动元件本身的静强度和疲劳强度高；3）驱动 方法 简单安全，对基体结构无影响，激励能量小；4）激励后能产生高效稳定的控制，反复激励下性能稳定；5）频率响应范围宽，响应速度快，并可控制；常用的作动材料有记忆型合金、压电材料、记忆聚合物以及聚合胶体等。 目前 有关作动元件的研究正在一些领域展开，如董聪、Crawlay等人评述了几种常用作动/传感材料的性能。3.3.4智能结构信息处理智能土木结构要成为有机的整体，还须借助于信息的流动控制及加工处理。只有使信息在环境、结构、传感器、信息处理中枢及作动系统之间有序地流动，并同时进行加工处理，方可使结构具有智能功能。其信息流动可如下图所示：由此可见，应首先对数据采集予以研究。这包括各种传感器信号的A/D转换以及数据处理通讯接口软硬件的研制[8].作为一种尝试，笔者利用传统结构实验装置，实现了单片机应变仪与微机在线通讯的硬件组建及 计算 机数据接受软件的开发，初步的结果表明，建立土木结构在线监测是完全可以做得到的。其次，应着重研究输入到计算机中的数据的智能化处理算法，以及相应软件的开发。算法的核心目标应为对结构内部力学、物理场的全面计算。在此，应注意算法的快速性，避免因算法过于复杂而失去了智能结构的机敏、实时特性[9].接着，应对结构的健康诊断及安全评定方法予以研究。包括结构的数学建模，参数空间的模式识别，损伤评定，体系可靠性分析，以及人工智能的 应用 。最后需要研究的是结构控制机理、结构局部损伤修复方法、结构振动控制机理等 问题 。4.结论及研究建议 智能土木结构是材料 科学 、计算机科学、自动控制技术 发展 到一定程度的产物。它涉及到结构和建造的重大变革，涉及到当今土木工程、材料科学、自动控制、计算机软硬件技术、信息通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术。正如建筑业是国民经济各部门原动力一样，智能土木结构及智能建筑不仅对于未来土木界的发展意义重大，而且对于目前主要的高 科技 领域而言也具有重要的意义，它的研发及实现必将进一步带动其它高科技领域的进一步提高，是土木工程界的知识经济。毋须置言，对它的研究工作应首先要求结构工程师投入极大的努力，更新观念，注意吸取其它领域的思想，成为智能土木结构研究的主体，同时还需结构工程师同相关领域的专业人员紧密配合，建立科学化的研究管理机制，才能完成这个系统工程。在具体的研究中，笔者给出了几点建议，谨供业内 参考 ：1）对于土木工程中普遍使用钢筋混凝土（包括RC，PC，PPC）、钢结构的现状，建议以嵌入式智能结构的研究为重点。这样做的好处在于能最大限度地利用现有的结构 理论 知识，使研究的重点放在未知的附加智能化功能的研究上来，同时还能使智能化经济可行，也可做到工艺水平的传统与未来的连续。另外，这种思路还可以利用现有土木结构实验的装置和方法。2）对嵌入式智能土木结构，研究出一种高效、实时的力学计算算法将是一项迫在眉睫的任务，只有利用监测传感系统所得到的信息进行全面实时计算，方可对结构有全面及时的了解，才能为其后的信息流动打下基础。这就需要对复杂的非线性有限元加以改进，使其胜任在线、实时、精确的计算工作。3）对于房建领域，可以将智能结构体系纳入业已实现的智能建筑大系统中，使建筑从3A变为4A，即建筑设备自动化、办公自动化、通讯自动化及本文论述的建筑结构自动化（智能土木结构）、四个系统共用一个综合布线系统及中央监控中枢，从而实现建筑物的全面拟智能生命化。