智能土木结构理论初探

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1、智能土木结构理论初探-结构理论摘要：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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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