1 前言
目前我國(guó)土木工程事故頻繁發(fā)生，如橋梁的突然折斷、房屋驟然倒塌等，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，已經(jīng)引起人們對(duì)于重大工程安全性的關(guān)心和重視。另外，我國(guó)有一大部分橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施都是在五六十年代建造的，經(jīng)過(guò)這么多年的使用，他們的安全性能如何？是否對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅？這些都是亟待回答的問(wèn)題。近些年，地震，洪水，暴風(fēng)等自然災(zāi)害也對(duì)這些建筑物和結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷；還有一些人為的爆炸等破壞性行為，如美國(guó)世貿(mào)大樓倒塌對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊憽＿@些越來(lái)越引起人們的密切關(guān)注，如果能在災(zāi)難到來(lái)之前對(duì)其預(yù)測(cè)，進(jìn)行評(píng)估以趨利避害成為目前的焦點(diǎn)。就如1994年1月17日美國(guó)加州Northridge 和1995年日本神戶（Kobe）的大地震后，一些建筑物在遭受主震后，并未立即倒塌，但結(jié)構(gòu)卻已受到嚴(yán)重?fù)p傷而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在后來(lái)的余震中倒塌了[1]。
因此，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷，對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害提前預(yù)警，評(píng)估其安全性已經(jīng)成為未來(lái)工程的必然要求，也是土木工程學(xué)科發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。
2 幾個(gè)基本術(shù)語(yǔ)
安全性評(píng)估。通過(guò)各種可能的、結(jié)構(gòu)允許的測(cè)試手段，測(cè)試其當(dāng)前的工作狀態(tài)，并與其臨界失效狀態(tài)加以比較，評(píng)價(jià)其安全等級(jí)。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，其重要程度不同，安全等級(jí)也應(yīng)該有所差別。安全性評(píng)估與可靠性不同，可靠性為一種概率，為一種可能性；而安全性評(píng)估旨在給出確定的安全等級(jí)。
健康。在土木工程中，是指結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其預(yù)期功能的一種狀態(tài)。
健康監(jiān)測(cè)。所有的結(jié)構(gòu)，無(wú)論自然的還是人工的，在其生命周期內(nèi)都會(huì)累積損傷。健康監(jiān)測(cè)是指利用現(xiàn)場(chǎng)的、無(wú)損傷的監(jiān)測(cè)方式獲得結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息，分析包括結(jié)構(gòu)反應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu).
各種特征，以便了解結(jié)構(gòu)因損傷或者退化而造成的改變[2]。人們關(guān)心的問(wèn)題是，結(jié)構(gòu)損傷到什么程度才能危及其安全性能。因此，健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)目標(biāo)就是在這個(gè)臨界點(diǎn)到來(lái)之前提早檢測(cè)出結(jié)構(gòu)的損傷[3]，這是個(gè)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)過(guò)程。
健康診斷。是指結(jié)構(gòu)在受到自然的（如地震，強(qiáng)風(fēng)等），人為的破壞之后，或者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期使用后，通過(guò)測(cè)定其關(guān)鍵性能指標(biāo)，檢查其是否受到損傷。如果受到損傷，損傷位置，程度如何，可否繼續(xù)使用及其剩余壽命等。損傷診斷可以從很多層面上來(lái)理解，但最基本的目標(biāo)是簡(jiǎn)單的確認(rèn)結(jié)構(gòu)是否存在損傷。這個(gè)問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別模型一般是收集損傷前后系統(tǒng)的特征，比較新的模式是否偏離原始模式。實(shí)際上，問(wèn)題很少如此簡(jiǎn)單，工作環(huán)境和條件的變化影響測(cè)得的信號(hào)。在此情況下，正常的工作范圍很廣，不能簡(jiǎn)單的因?yàn)榄h(huán)境的變化而認(rèn)為有損傷。一般有兩種方式來(lái)考察環(huán)境的變化，一種是可以測(cè)出分別與環(huán)境和工作條件相關(guān)的量，參數(shù)化正常的工作條件。另一種方式是采用Hoon Sohn等提出的數(shù)據(jù)正規(guī)化技術(shù)，如搜尋表技術(shù)和自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用于區(qū)分環(huán)境工作條件變化和損傷的影響[4]。
3 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其組成
結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估是基于健康監(jiān)測(cè)和診斷的基礎(chǔ)上。而健康診斷對(duì)于已經(jīng)安裝了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程，只是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分。對(duì)于未安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程，僅需要在結(jié)構(gòu)的各部分臨時(shí)布設(shè)傳感器進(jìn)行測(cè)量，其余過(guò)程與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本相同。因此，下面主要介紹健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。一般認(rèn)為健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括下列幾部分[5]：
1.傳感器系統(tǒng)，包括感知元件的選擇和傳感器網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)中的布置方案。
2.數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，一般由強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。
3.監(jiān)控中心，能夠及時(shí)預(yù)警結(jié)構(gòu)的異常行為。
4.實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種軟硬件，包括結(jié)構(gòu)中損傷位置，程度類(lèi)型識(shí)別的最佳判據(jù)。
傳感器監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集裝置送到監(jiān)控中心，進(jìn)行處理和判斷，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，若出現(xiàn)異常，由監(jiān)控中心發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并由故障診斷模塊分析查明異常原因，以便系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。
4 傳感器系統(tǒng)
4．1傳感器簡(jiǎn)介
傳統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量采用的傳感器有壓電式力傳感器，加速度傳感器，阻抗傳感器，應(yīng)變片等，它們已廣泛應(yīng)用各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)中，這里不再贅述。
下面重點(diǎn)介紹新型的智能傳感器，包括光纖傳感器，壓電材料、電磁致伸縮材料制成的傳感器等[6，7]。其中光纖傳感器由于質(zhì)量輕、信息量大，可測(cè)量多種信號(hào)，無(wú)電磁干擾，易于分布埋入結(jié)構(gòu)和構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)等眾多優(yōu)點(diǎn)，日益受到各行業(yè)的關(guān)注。光纖等新型智能傳感器在結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和診斷中必將會(huì)發(fā)揮非常重要的作用。
光纖傳感器按照是否對(duì)所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制可分為：非本征型和本征型。非本征光纖不與結(jié)構(gòu)一起變形，只起信號(hào)傳輸作用，由另外的裝置對(duì)載波光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制獲取信號(hào)。本征型光纖傳感器不僅傳輸信號(hào)，也起傳感作用，即通過(guò)光纖自身的光彈效應(yīng)，雙折射效應(yīng)，磁光法拉第效應(yīng)等把待測(cè)量調(diào)制為光的相位、偏振或者波長(zhǎng)的變化。
Bragg（或者FBG，F(xiàn)iber Bragg Grating）光纖傳感器[8-13]的檢測(cè)量為波長(zhǎng)變化，不受光強(qiáng)的影響，對(duì)環(huán)境干擾不敏感；輸出線性范圍寬，在±10 000με內(nèi)波長(zhǎng)移動(dòng)與應(yīng)變有著良好的線性關(guān)系；測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍只受光源譜寬限制；光柵長(zhǎng)度只有幾毫米，測(cè)量的分辨率高；易于實(shí)現(xiàn)波分多路復(fù)用，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，因而在實(shí)際中應(yīng)用最多。通常用于測(cè)量應(yīng)變、位移和溫度。CFBG光纖傳感器，用于測(cè)量位移[14]。日本隧道施工中采用光纖傳感器測(cè)量大體積混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中熱量釋放可能導(dǎo)致的溫度應(yīng)力大小和裂紋的產(chǎn)生。中國(guó)也在三峽工程的鋼索中預(yù)制光纖用于檢測(cè)鋼索的應(yīng)力和變形[5]。Juan等通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究了光纖傳感器在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的安裝問(wèn)題[15]，將光纖傳感器和普通應(yīng)變片和位移計(jì)安裝到鋼梁上，用于比較安裝方法及結(jié)構(gòu)與光纖的固定界面的影響。盡管光纖已有了部分應(yīng)用，但光纖在實(shí)際使用中還有一些復(fù)雜的具體問(wèn)題，如光纖的埋入技術(shù)（包括強(qiáng)度，界面，工藝，粘接劑等），探測(cè)量（應(yīng)力，應(yīng)變等）與溫度影響的分離等還需要解決，但無(wú)疑光纖在土木工程領(lǐng)域會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。
Fabry-Parot光纖傳感器也有部分應(yīng)用，如：EFPI(Extrinsic Fabry-Perot Interferometers)光纖傳感器用于測(cè)量應(yīng)變[16]。ESPI（電子斑點(diǎn)模式干涉儀）[17]和數(shù)字剪切干涉儀都是使用于無(wú)損檢測(cè)的光學(xué)干涉技術(shù)。但由于ESPI的隔振要求極為嚴(yán)格，目前只能用在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。Dirk等探討了其隔振技術(shù)和便攜的可能性。
另外還有一些檢測(cè)特殊量的光纖傳感器，如：光纖pH傳感器[18]用于檢測(cè)混凝土由于各種化學(xué)變化，如：硫酸鹽的侵蝕，各種酸和基礎(chǔ)的作用，酸化過(guò)程，鋼筋腐蝕等造成的退化過(guò)程。采用耗散波譜技術(shù)布設(shè)傳感器，去除PCS光纖的包層，換之以攙雜有pH敏感劑的甲奈包層。由石鎢鹵源發(fā)出的未經(jīng)過(guò)極化的白光射入單色器，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描，單色器的出射光在進(jìn)入光纖，在光纖末端測(cè)量吸收譜，因?yàn)閜H變化的分析能夠在吸收譜中體現(xiàn)出來(lái)。此法可用于早期測(cè)量結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域受環(huán)境的影響加速老化的跡象。Alexander等將磁致伸縮傳感器（MR傳感器）[19]與電腦相連用于檢測(cè)多層鋁結(jié)構(gòu)的裂紋，LFEC（低頻渦流探針）通過(guò)使用磁致伸縮傳感器可探測(cè)到5MHz直流。選擇合適規(guī)格的電子元件，可使他們與標(biāo)準(zhǔn)的電腦接頭功率和阻抗匹配，這樣不必使用那些外部電源、放大器和調(diào)制器等昂貴的設(shè)備。進(jìn)而開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件CANDETECT，在實(shí)際的鋁結(jié)構(gòu)上證明了該軟件的內(nèi)在敏感性和實(shí)用性。Glenn等將磁致伸縮傳感器固定在結(jié)構(gòu)上，用于進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[20]。
還有一些其它特殊類(lèi)型傳感器。如損傷指數(shù)傳感器[21]，該傳感器可以無(wú)線監(jiān)測(cè)峰值應(yīng)變，峰值位移，峰值加速度，吸收能量和累積塑性變形。記憶損傷指數(shù)的原理在于傳感部分的純塑性伸長(zhǎng)導(dǎo)致電阻、電感、電容的變化。無(wú)線溫度傳感器[22]，NASA用于無(wú)線監(jiān)測(cè)航空器中熱保護(hù)系統(tǒng)的溫度，無(wú)限傳感器集成在導(dǎo)熱保護(hù)系統(tǒng)的射頻識(shí)別芯片中，可通過(guò)手持掃描儀或者便攜設(shè)備讀出傳感器中的溫度或者其他感興趣的量。聲光傳感器[23]，一種獨(dú)特的二維聲光檢測(cè)器，可直接將超聲轉(zhuǎn)化為可視圖像，就如熒光屏可將X射線轉(zhuǎn)化為可視圖像一樣，清晰度高，可以制造為大面積使用。
4．2 傳感器布置方法
由于經(jīng)濟(jì)和結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等方面的原因，在所有自由度上安置傳感器是不可能也是不現(xiàn)實(shí)的，因此，就出現(xiàn)了在n個(gè)自由度上如何布置m(m<n)個(gè)傳感器的優(yōu)化問(wèn)題。許多學(xué)者從不同角度提出了一些方法，崔飛等[24]在橋梁中進(jìn)行了卓有成效的研究，劉福強(qiáng)等[25]給出了傳感器優(yōu)化布置的數(shù)學(xué)模型。目前采用的方法有：
模態(tài)動(dòng)能法（MKE）。人們首先想到的是通過(guò)觀察挑選那些振幅較大的點(diǎn)，或者模態(tài)動(dòng)能較大的點(diǎn)（MKE方法）[26]，其缺點(diǎn)為依賴(lài)于有限元網(wǎng)格劃分的大小。跟據(jù)模態(tài)動(dòng)能較大的原則，衍生了側(cè)重點(diǎn)不同的許多方法，如：平均模態(tài)動(dòng)能法（AMKE），計(jì)算所有待測(cè)模態(tài)的各可能測(cè)點(diǎn)的平均動(dòng)能，選擇其中較大者；特征相量乘積法(ECP)，計(jì)算有限元分析的模態(tài)振型在可能測(cè)點(diǎn)的乘積，選擇其中較大者。
有效獨(dú)立法（EI法）。Kammer提出的有效獨(dú)立法，是目前為止應(yīng)用最廣的一種方法[27]。它從所有可能測(cè)點(diǎn)出發(fā)，利用復(fù)模態(tài)矩陣的冪等型，計(jì)算有效獨(dú)立向量，按照對(duì)目標(biāo)模態(tài)矩陣獨(dú)立性排序，刪除對(duì)其秩貢獻(xiàn)最小的自由度，從而優(yōu)化Fisher信息陣而使感興趣的模態(tài)向量盡可能保持線性無(wú)關(guān)。
Guyan 模型縮減法。該種方法也是一種較為常用的方法。它能較好的保留低階模態(tài)，并不一定代表待測(cè)模態(tài)，O’Callahan[28]和 Zhang[29]基于上述限制分別提出改進(jìn)縮減系統(tǒng)(IRS)和連續(xù)接近縮減方法(SAR)。
奇異值分解法。由Park 和Kim提出，通過(guò)對(duì)待測(cè)模態(tài)矩陣進(jìn)行奇異值分解，評(píng)價(jià)Fisher信息陣，舍棄那些對(duì)信息陣的值無(wú)作用的測(cè)點(diǎn)。該方法不僅盡量使目標(biāo)模態(tài)矩陣線性獨(dú)立，而且提出了每一次迭代時(shí)舍棄測(cè)點(diǎn)的允許數(shù)目。
基于遺傳算法（GA）的優(yōu)化[30，31]。采用可控性和客觀性指數(shù)來(lái)獲得所有控制模態(tài)的累積性能值，以這些指數(shù)為優(yōu)化指標(biāo)，以便使控制器和結(jié)構(gòu)之間有最大的能量傳遞而且根據(jù)控制律使剩余模態(tài)的影響最小。清華大學(xué)土木系[24]在香港青馬大橋的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中利用遺傳算法尋找加速度傳感器的最優(yōu)布置，把其中測(cè)取的變形能作為遺傳進(jìn)化的適應(yīng)值（Fitness），實(shí)際上是使測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離各陣型節(jié)點(diǎn)。
Penny等[32]提出了評(píng)價(jià)各種傳感器布置方法優(yōu)劣的五條量化準(zhǔn)則：模態(tài)保證準(zhǔn)則MAC（Modal Assurance Criterion）, 修正模態(tài)保證準(zhǔn)則ModMAC, SVD比，模態(tài)所測(cè)動(dòng)能，F(xiàn)isher信息陣的值。當(dāng)然在傳感器布置的最佳數(shù)量和魯棒性，抗噪性等方面還有許多工作要做。
5 損傷檢測(cè)
損傷檢測(cè)基本上可以分為兩大類(lèi)：局部法和整體法[2]。整體法試圖評(píng)價(jià)整體結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，而局部法則依靠成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)某個(gè)特定的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否有損傷及損傷的程度。整體法和局部法在大型結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別中結(jié)合使用效果較好，首先由整體法識(shí)別出損傷的大致位置，然后由局部法對(duì)該處的各部件進(jìn)行具體的損傷檢測(cè)。
5．1 整體檢測(cè)方法
整體檢測(cè)方法大致分為動(dòng)力指紋分析法、模型修正與系統(tǒng)識(shí)別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。
5．1．1 動(dòng)力指紋分析法或模式識(shí)別方法
依據(jù)原理，若結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如質(zhì)量和剛度會(huì)發(fā)生變化，從而引起相應(yīng)的動(dòng)力指紋發(fā)生變化。常用的動(dòng)力指紋有：頻率，振型，振型曲率，應(yīng)變模態(tài)，頻響函數(shù)，模態(tài)柔度矩陣，模態(tài)保證準(zhǔn)則（MAC）和坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則（COMAC）等。按照此類(lèi)方法，首先必須建立與動(dòng)力指紋相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康時(shí)和一系列先驗(yàn)預(yù)估的損傷對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后將發(fā)生損傷時(shí)的動(dòng)力指紋與其比較，進(jìn)而識(shí)別損傷。這類(lèi)方法的缺點(diǎn)為敏感性不是很高，與所有潛在損傷情況相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)較難建立。有很多學(xué)者在此方面作了大量的工作，Monaco等采用頻響函數(shù)作為指紋，將改變的頻響函數(shù)作為一個(gè)有代表性的損傷指數(shù)[33]。Ma等采用去除反射的頻響函數(shù)（DTF）作為指紋，識(shí)別結(jié)構(gòu)多點(diǎn)損傷[34]。結(jié)構(gòu)損傷改變?nèi)コ瓷涞念l響函數(shù)的相位，因而改變的去除反射的頻響函數(shù)可以作為一個(gè)有代表性的動(dòng)力指紋或者損傷指數(shù)。Whittern等采用模態(tài)宏應(yīng)變向量法作為指紋，理論表明模態(tài)宏應(yīng)變向量作為損傷指數(shù)既準(zhǔn)確又可靠，在損傷的部位或其附近非常敏感[13]。清華大學(xué)提出了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的柔度法。Frank 等采用ODS法將模態(tài)陣型和固有頻率作為指紋，利用掃描式激光測(cè)震儀研究圓盤(pán)的動(dòng)態(tài)特性（模態(tài)和固有頻率）來(lái)確定缺陷[35]。同時(shí)采用邊界效應(yīng)檢測(cè)法（BED）處理ODS數(shù)據(jù)并解釋因缺陷引起的邊界效應(yīng)和確定缺陷位置。Satoko推導(dǎo)出擬牛頓法（ Quasi-Newton Method）將剛度和質(zhì)量作為指紋,用于識(shí)別結(jié)構(gòu)在地震過(guò)后內(nèi)部的不可見(jiàn)損傷[36]。Xie等利用小波分析算法[37，38]，提取能量分布作為損傷特征（指紋）。通過(guò)建立能量分布與損傷之間的關(guān)系，利用模式識(shí)別方法，來(lái)定位細(xì)微的損傷。避免了模態(tài)參數(shù)，如固有頻率等對(duì)細(xì)微損傷的不敏感性，結(jié)果表明實(shí)際損傷位置與檢測(cè)出的位置很接近。Gabe等采用ARMA的系數(shù)作為指紋，依據(jù)ARMA能夠自動(dòng)完成從數(shù)據(jù)收集到損傷監(jiān)測(cè)的全過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)[39]，利用環(huán)境激勵(lì)的數(shù)據(jù)，檢測(cè)一個(gè)包含不同層次損傷的大型結(jié)構(gòu)的損傷情況。通過(guò)環(huán)境激勵(lì)測(cè)得的原始結(jié)構(gòu)和損傷后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，計(jì)算ARMA 的系數(shù)建立損傷指數(shù)。將得到的損傷指數(shù)按照分類(lèi)算法組成特征向量，確定是否損傷以及損傷定位。Daniel等將高頻機(jī)械阻抗作為指紋，試驗(yàn)了基于高頻機(jī)械阻抗技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)視系統(tǒng)[40]。其基本原理為對(duì)固定在結(jié)構(gòu)表面的壓電傳感器施加高頻激勵(lì)（通常高于30Mhz），測(cè)量傳感器的電流和電壓而得到電阻，如果電阻發(fā)生變化，則結(jié)構(gòu)變化，因而有損傷。采用儀器為HP4194A及他們自己開(kāi)發(fā)的便攜設(shè)備，通過(guò)兩個(gè)實(shí)例（煤氣管道和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）證明了該方法的廣泛使用性，高頻機(jī)械阻抗實(shí)際上是結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的微小損傷和表面缺陷很敏感。
5. 1. 2 型修正與系統(tǒng)識(shí)別法
基本思想為通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，如模態(tài)參數(shù)或者加速度時(shí)程數(shù)據(jù)來(lái)分析模型的剛度分布，然后將修正剛度后模型的反應(yīng)所測(cè)數(shù)據(jù)比較，當(dāng)兩者基本吻合時(shí)，即認(rèn)為此組參數(shù)為結(jié)構(gòu)當(dāng)前參數(shù)，根據(jù)模型剛度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)損傷的定位和損傷程度的評(píng)估。Allen等提出順序概率比實(shí)驗(yàn)方法（SPRT）[41]，用于監(jiān)測(cè)若連接處有變化，測(cè)試結(jié)構(gòu)是否有損傷。采用統(tǒng)計(jì)的方式識(shí)別，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)的一個(gè)選定特征作為模型的預(yù)測(cè)。有兩個(gè)基本假定：（1）模型能夠預(yù)測(cè)特征，結(jié)構(gòu)未受損傷；（2）模型不能夠預(yù)測(cè)特征，結(jié)構(gòu)已受損傷。在SPRT算法的原始公式中，特征被假定為高斯分布且設(shè)定了相應(yīng)的閥值。但可能用于損傷的特征對(duì)分布的尾部敏感，而且其尾部不必滿足高斯分布特征，此時(shí)通過(guò)EVS（極值分布）模型化其尾部，可以設(shè)定SPRT算法的閥值而避免正常的假定。
5. 1. 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以生物神經(jīng)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，模擬人腦的功能。由許多處理單元（神經(jīng)元）相互連接組成，按照一定的連接權(quán)獲取信息的聯(lián)系模式，根據(jù)一定的學(xué)習(xí)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和關(guān)系映射。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其學(xué)習(xí)能力，非線性變換型和高度的并行運(yùn)算能力，對(duì)新輸入的泛化能力和對(duì)噪聲的容錯(cuò)處理能力，對(duì)系統(tǒng)（尤其是非線性系統(tǒng)）的辨識(shí)等提供了一條非常有效的途徑。在商業(yè)、金融、制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信、力學(xué)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用[42-44]。高贊明等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法用于香港汲水門(mén)大橋的健康監(jiān)測(cè)中[45]。Venkat 等采用小波分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過(guò)將測(cè)得的原始結(jié)構(gòu)和損傷后結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)比較，估計(jì)損傷發(fā)生的位置及程度[46，47]。小波分析的優(yōu)點(diǎn)是，它能在時(shí)域和頻域內(nèi)定位，可以提取突變發(fā)生的位置，而且因?yàn)槟B(tài)形狀變化的大小由損傷程度決定，它也可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)一個(gè)映像小波分析中提取出的振動(dòng)特征的函數(shù)來(lái)量化健康狀態(tài)參數(shù)。William等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，采用一個(gè)壓電傳感器陣列模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射和動(dòng)應(yīng)變[48]。他們方法的優(yōu)點(diǎn)在于將需要布設(shè)傳感器的通道數(shù)由N減少到2N個(gè)。當(dāng)結(jié)構(gòu)有瞬態(tài)損傷時(shí)，能夠?qū)鞲衅麝嚵械妮敵鰰r(shí)間歷程記錄下來(lái)，然后通過(guò)組合邏輯準(zhǔn)確地確定發(fā)生的位置。缺點(diǎn)在于沒(méi)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者回歸技術(shù)難以抽取單個(gè)傳感器的時(shí)間歷程，而只能得到陣列的某行或者某列的加和值，其應(yīng)用范圍為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裂紋和層解檢測(cè)、動(dòng)應(yīng)變測(cè)量碰撞監(jiān)測(cè)和損傷定位。Mannur等采用壓電陶瓷纖維和碳納米管材料傳感器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)[49]。壓電陶瓷纖維的好處在于頻帶寬和相對(duì)的低成本，缺點(diǎn)在于產(chǎn)生的壓電陶瓷電荷非常小。碳納米管能夠在大應(yīng)變處通過(guò)電化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生地電壓，而局限在于產(chǎn)生速度慢，必須使用聚合電解質(zhì)用于離子交換。
5. 1. 4 傳算法
遺傳算法是60年代由Holland教授提出的，他根據(jù)達(dá)爾文進(jìn)化論中適者生存，優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則來(lái)搜索下一代中的最優(yōu)個(gè)體，以得到滿足要求的最優(yōu)解。其主要優(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)單，魯棒性強(qiáng)。在組合優(yōu)化求解，機(jī)器學(xué)習(xí)和工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。Koh等采用局部搜索的遺傳算法[50]，通過(guò)測(cè)定激勵(lì)和響應(yīng)來(lái)決定結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。數(shù)值模擬了板/殼和飛機(jī)翼，結(jié)果表明，載荷作用位置對(duì)識(shí)別結(jié)果有很大影響。該法通過(guò)全局和局部階段自適應(yīng)調(diào)整局部搜索尺寸的偏差，有很強(qiáng)的抗噪性。他們還研究了分布式遺傳算法的系統(tǒng)識(shí)別法[51]，該法對(duì)于識(shí)別大型復(fù)雜系統(tǒng)有很多優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)在于前向分析計(jì)算量大。
5．2 局部檢測(cè)方法
目前常用的局部檢測(cè)方法有，目檢法、染色法、壓痕法、回彈法、超聲脈沖法、射線法、磁粒子法等。近年來(lái)，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)又出現(xiàn)了一些新的局部損傷監(jiān)測(cè)方法。如聲發(fā)射法[52，53]，利用結(jié)構(gòu)變形或斷裂產(chǎn)生的聲壓引起光纖的橫向應(yīng)變，來(lái)監(jiān)測(cè)損傷，提出了Felicity系數(shù)，用于評(píng)價(jià)混凝土的完整性。Lamb波方法[54]，采用光纖干涉?zhèn)鞲衅鳎肔amb模態(tài)和缺陷的關(guān)系檢測(cè)。板的自適應(yīng)小波模型，可以分離Lamb波的模態(tài)和反射[55]。利用小波轉(zhuǎn)換和脈沖壓縮技術(shù)來(lái)分解已經(jīng)疊加的波包，表明噪音和散射是主要缺點(diǎn)[56]。Oleg利用激光干涉儀[57]，通過(guò)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)超聲振動(dòng)來(lái)確定缺陷。非線性波調(diào)制譜（NWMA）f法[58]，此方法可以評(píng)估粘附在混凝土上的纖維加強(qiáng)塑料(FRP)的固結(jié)狀態(tài)。頻域ARX方法[59]，采用自回歸外動(dòng)力傳輸率模型，能夠區(qū)別結(jié)構(gòu)線性和非線性的損傷，并確定損傷程度。超聲光譜法[60]，可以識(shí)別其他NDE方法識(shí)別不出的可能層解或連接不牢。試驗(yàn)樣品為從轉(zhuǎn)子上切下的聚合物基復(fù)合材料（PVC）環(huán)，首先，超聲系統(tǒng)產(chǎn)生的連續(xù)的正弦信號(hào)作為輸入，信號(hào)波在經(jīng)過(guò)材料時(shí)被捕獲，捕獲后的信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)FFT處理，得到的基本共振頻率做為材料性質(zhì)和厚度的函數(shù)。在人工控制層開(kāi)口的同時(shí)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)用光學(xué)的方法檢測(cè)層的開(kāi)口寬度。分析完全厚度的共振，共振與人為層解位置的關(guān)系和頻譜來(lái)確定不同層解條件下的敏感性。幾何時(shí)域方法[61]，是考慮到結(jié)構(gòu)時(shí)域反應(yīng)的幾何特點(diǎn)而提出的。該方法對(duì)微小損傷較敏感，對(duì)環(huán)境的波動(dòng)具有魯棒性，并通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)驗(yàn)證。John等采用非接觸的、空氣耦合的超聲傳感器測(cè)試鐵軌的徑向和軸向的缺陷，檢測(cè)年久鐵軌的損傷[61]。
6 信號(hào)采集與分析系統(tǒng)
信號(hào)采集和實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)可以說(shuō)是健康檢測(cè)和診斷系統(tǒng)的心臟，目前國(guó)內(nèi)外都在大力開(kāi)發(fā)相應(yīng)的軟件。清華大學(xué)開(kāi)發(fā)了一套用于香港虎門(mén)大橋的應(yīng)變監(jiān)視軟件[62]。Jerom等設(shè)計(jì)了一套無(wú)線模塊監(jiān)視系統(tǒng)[63]，用于檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷。Acellent 公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一套商業(yè)化監(jiān)測(cè)軟件，該系統(tǒng)由三部分組成：SMART 層, SMART 工具箱和分析軟件[65]。SMART 層為一靈活的壓電傳感器層，可方便的安裝到結(jié)構(gòu)上用于在線監(jiān)測(cè)。SMART 工具箱能將從傳感器收集到的信息送到分析軟件以供其處理。Christopher等開(kāi)發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[66]，可以有許多用戶在互聯(lián)網(wǎng)上共享所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。Inaudi等考慮到浩大的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題，提出了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的組織管理與標(biāo)準(zhǔn)化[67]。國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)落后，應(yīng)組織相關(guān)人員開(kāi)發(fā)這類(lèi)有廣闊應(yīng)用前景的軟件系統(tǒng)。
7 健康檢測(cè)和診斷系統(tǒng)的應(yīng)用
由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本高，我國(guó)目前僅在一些大跨橋上安裝使用。上海徐浦大橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括測(cè)量車(chē)輛荷載、溫度、撓度、應(yīng)變、主梁振動(dòng)、斜拉索振動(dòng)六個(gè)子系統(tǒng)[68]。香港青馬大橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用了約800個(gè)永久性傳感器用于監(jiān)測(cè)橋的損傷。香港汲水門(mén)大橋和香港Ting Kau大橋也安裝了類(lèi)似的系統(tǒng)[69]。
國(guó)際上，尤其是日本、美國(guó)和德國(guó)，健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在土木工程中應(yīng)用相對(duì)較多，已經(jīng)擴(kuò)展到大型混凝土工程、高層建筑等復(fù)雜系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。日本在一幢允許一定程度損傷的大樓上安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]。該大樓安裝有阻尼緩沖板，在經(jīng)過(guò)一次較大規(guī)模的地震后增設(shè)FBG光纖傳感器，用以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的完整性和大樓的地震反應(yīng)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作良好。德國(guó)在柏林新建的萊特火車(chē)站（Lehrter Bahnhof,Berlin）大樓安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[70]，該火車(chē)站位于柏林的市中心，有一個(gè)由幾千個(gè)玻璃方格組成的屋頂，要求相鄰支柱的垂直位移差不超過(guò)10mm。德國(guó)的Schwesinger等設(shè)計(jì)和利用特制卡車(chē)測(cè)試250多座混凝土橋[71]。從2001年3月開(kāi)始，使用載重可達(dá)150噸的測(cè)試卡車(chē)BELFA，測(cè)試方便靈活，所需時(shí)間短。意大利在一個(gè)著名教堂安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[72]。該教堂坐落在意大利北部的靠莫湖畔，是一個(gè)重要的歷史文化遺產(chǎn)，近年由于城市交通流量的增加和湖面的變化導(dǎo)致了教堂的損壞，因此設(shè)計(jì)了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。瑞士在混凝土橋（Siggenthal Bridge）建設(shè)過(guò)程中安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[73]，采用58個(gè)光纖變形傳感器，2個(gè)傾角儀，8個(gè)溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)在建設(shè)過(guò)程中和以后長(zhǎng)期的變形、屈曲和位移。美國(guó)Michael 等研究了振動(dòng)板在壓實(shí)土壤時(shí)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[74]，土壓實(shí)時(shí)，振動(dòng)壓實(shí)器（滾或者板）與土壤共同組成一個(gè)耦合的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，隨著土壤的逐漸密實(shí)，土壤的機(jī)械特性發(fā)生改變，因而壓實(shí)器的動(dòng)態(tài)反應(yīng)也會(huì)改變。通過(guò)安裝在板上和埋入土壤中的傳感器測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，可以得到幅值和頻率的變化，從而分析土壤的密實(shí)程度和性質(zhì)變化。Robert等開(kāi)展了輕軌架空水泥結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)[75]，測(cè)試了8個(gè)軌段在不同天氣條件下，如建設(shè)時(shí)逐漸增加載荷、移動(dòng)火車(chē)載荷等的在線監(jiān)視和結(jié)構(gòu)健康診斷系統(tǒng)。
8 存在的問(wèn)題及發(fā)展方向
本文闡述了土木工程結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)和診斷的概念、理論、方法以及目前的現(xiàn)狀，重點(diǎn)討論了傳感器的優(yōu)化布置、損傷識(shí)別等健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵問(wèn)題。縱觀土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及診斷的發(fā)展水平，至少有以下幾點(diǎn)尚待解決的問(wèn)題：
（1）缺少通用的損傷量化指標(biāo)。在基于振動(dòng)的故障診斷和預(yù)測(cè)中，要求不論信號(hào)的來(lái)源和頻段，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后，原始狀態(tài)的信號(hào)（健康狀態(tài)）和損傷后的信號(hào)（損傷狀態(tài)）應(yīng)有明顯的差異，即識(shí)別出的信號(hào)特征能夠準(zhǔn)確的表示出健康狀態(tài)和損傷狀態(tài)。因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)一種損傷尺度，將結(jié)構(gòu)損傷與否的和損傷的程度簡(jiǎn)單地分級(jí)量化[76]。
（2）診斷系統(tǒng)的兩個(gè)主要問(wèn)題是，高成本和信號(hào)處理的不準(zhǔn)確性。第一個(gè)問(wèn)題隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和通訊的發(fā)展已不那么突出；第二個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)在都假定噪音信號(hào)為不變的高斯分布而且感興趣的信號(hào)都有確定的頻率。實(shí)際上并非如此，感興趣的信號(hào)頻率范圍很寬，而且是在一個(gè)非理想的變化環(huán)境中得到的[77]，如何解決這個(gè)問(wèn)題將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。
（3）由于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)際上都是非線性的，因而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和診斷方面具有不可估量的應(yīng)用前景。小波分析由于有刻畫(huà)細(xì)節(jié)的能力，在數(shù)據(jù)的處理方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。
（4）健康診斷作為土木基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)管理的一部分，越來(lái)越受到人們的重視。災(zāi)難減輕包括準(zhǔn)備好應(yīng)付各種自然和人為的災(zāi)害，同時(shí)也確保在災(zāi)害過(guò)后的一段時(shí)間內(nèi)部分土木基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)可用，我們也應(yīng)該開(kāi)展這類(lèi)范圍更廣的土木基礎(chǔ)設(shè)施管理的研究。
