1、智能土木結構理論初探 摘要： 本文回顧了有關“智能材料結構”在土木領域的最新進展，明確地涵定了“智能土木結構”的基本概念及其 發展 過程，較為系統地闡述了構成其 理論 體系的有關 內容 及 問題 。提出了結構智能化三水準概念及智能土木結構的分類 方法 ，建議了今后 研究 的策略及幾個主要方向。關鍵詞： 智能土木結構，智能材料，自診斷智能土木結構，智能控制，嵌入式智能土木結構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雨防侵襲的封閉空間。隨著 社會 生產力水平的不斷發展，人類對建筑的要求也日益復雜和多樣化，結構作為建筑的核心骨

2、架，人們也對其提出了更高水平的要求。 現代 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構能提供更高的強度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同時，在現代社會中，這些大型建筑物在整個國民 經濟 中所發揮的作用已日益重要，這也尤其要求它們應具有更強的防止災害的能力。傳統的結構大多通過提高建筑材料的物理力學性能、采用合理的結構形式、加強施工管理以及定期結構評估與維護等傳統手段來達到并滿足這些要求。然而，這些傳統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，人們便失去了對結構的全面控制，結構失效、結構災害的發生便不以其設計者、建造者、使用者的意志為轉移了，人們對

3、它的預測及防范工作都將是一件十分困難的事情。另外，若單純地依靠以往那種要求保證結構具有足夠的剛度、強度及延性的傳統結構工程設計理念，當結構所處環境因素超越某種程度以后，就會將既不經濟，又達不到預期的效果。考察眾多建筑災害實例，人們發現，在整個建筑結構的設計壽命期內，都有可能發生結構失效。其原因在于：1）由于結構抗力的衰減、正常范圍內的損傷積累而致使的強度及可靠性的降低；2）由于材料的老化、腐蝕及力學性能的劣化（如徐變等）而導致的結構耐久性失效；3）由于施工質量和使用不當而給結構造成的隱患以及損害；4）由于結構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

4、成的破壞。以上這些原因都對結構的強度及安全性提出傳統設計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結構進行實時監測進而由結構自身作出智能化反應就顯得十分必要了。2.智能土木結構（intelligentcivilstructure）概念的形成及研究現狀2.1智能土木結構（intelligentcivilstructure）概念的形成現代材料技術的發展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產業已實現設計制造一體化。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入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅動材料緊密地融合于結構中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現代 計算

5、機集成于結構大系統中。通過力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制，使結構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，結構將能進行參數（如應變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學反應）的檢測及檢測數據的傳輸，具有一定的數據實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結構具有自診斷、自 學習 、自適應、自修復的能力。這就是智能土木結構概念的形成過程。 文獻 將智能結構定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構件（結構）具有人們期望的智能功能，這種結構稱之為智能材料結構”。可見，智能結

6、構是傳統結構的功能的升華。智能結構在土木結構中的 應用 便稱之為智能土木結構。2.2研究現狀如前所述，智能土木結構概念是為了解決評估結構強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結構的性能進行監測及預報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預測的能力。近來出現的無損檢測技術均不能對結構進行實時監測，也不能很好地預報結構的破損情況和進行完整性的評估。這些方法的致命缺點是預報方式是自外而內的，從信息傳播角度看，難免會夾雜進種種干擾信息，從而使檢測結果失真、低效率，甚至會導致完全錯誤的檢測結果。在結構內部埋入傳感器，組成 網絡 ，就可實時監測結構的性能，這就是智能土木結構的自內而外的預報方式

7、。智能土木結構在這些方面有很好的應用前景， 目前 主要應用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領域。美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設監測傳感器，用驗證設計中的一些假定，監視施工質量和服役安全狀態，如在佛羅里達州的sunshineskywaybridge橋上就安裝了數百個傳感器2.英國80年代后期開始研究和安裝大型橋梁的監測儀器和設備。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了傳感系統，用以于監測建成后大橋的服役安全狀態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

8、格光柵傳感器，用以監測橋梁內部的應變狀態。在其它土木工程領域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結構中也曾嘗試布置傳感器來構建智能結構。同樣，近年來發展起來的高性能、大規模分布式智能傳感元器件也為民用建筑及結構的智能監測系統的發展提供了基礎，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現。在民用建筑結構的應用方面，對結構的智能振動控制方面的研究已有近30年的 歷史 了4.3.智能土木結構理論的體系構成3.1結構智能化歷程的層次劃分傳統的土木結構是一種被動結構，一經設計、制造完成后，其性能及使用狀態將很大程度上存在著不可預知性和不可控制性，這就給結構的使用和維護帶來不便。為了解決這一問題，發展出了在線監

9、測結構，它賦予傳統土木結構以在線監測機制，從而為探知結構內部性能打開了窗口，使人員可以方便地了解結構內部物理、力學場的演變情況，這就是結構智能化的第一層次。在在線監測結構的基礎上，進一步增加了監測數據的智能處理機制，使得結構具有自感知、自診斷、自推理的能力，從而使結構實現了第二層次的智能化。進一步在結構中引入自適應及自動控制機制，即根據自診斷自推理的成果，由在結構中耦合的作動系統做出必要的反應，從而實現智能控制結構，這就是第三層次的智能化。比如，對結構的開裂、變形行為，結構的銹蝕、老化、損傷行為，以及結構的動力振動行為做出抑制性控制，在更高層次上對結構起到保護和維修作用。可見，在結構智能化演化

10、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：自感知土木結構（self-sensorycivilstructure），它是智能結構的最低級形式；22第二層次：自診斷智能土木結構（intelligentself-diagnosticcivilstructure），具有對前一層次結果的智能化加工處理，包括結構內部力學物理場的自我計算，對結構特定目標參數的自我診斷，以及以做出結構自身行為的應對策略為目標的自我推理等功能。22第三層次：智能控制土木結構（intelligentcontrolcivilstructure），它是智能土木結構的最高形式。3.23.2智能土木結構分類智能土木

11、結構按其材料可分為兩種類型，分述如下：1）嵌入式智能土木結構：在基體材料如鋼結構、鋼筋混凝土結構中嵌入具有傳感、動作和控制處理功能的材料或儀器，并集成進現代計算機硬件軟件技術，由傳感元件采集和檢測結構內部信息，由計算機對這些信息進行加工處理，并將處理結果通知控制處理器，由控制處理器指揮、激勵驅動元件執行相應動作。其工作原理如圖（2）所示。屬于這種類型的智能結構只需對傳統土木結構加以改進即可，無須額外研究結構的傳統力學性能，易于做到傳統結構與智能結構的平穩過渡，故而成為研究的焦點。2）基體、智能材料耦合結構：某些結構材料本身就具有智能功能，它們能夠隨著自身力學、物理狀態的改變而改變自身的一些其它

12、性能。如碳纖維混凝土材料能隨自身受力情況而改變其導電性能，只要探測到這一改變，便可以間接獲得結構的內部力學信息。轉貼于 按照結構智能化目的的不同，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構；2）具有應力應變狀態自診斷功能的智能混凝土結構；3）具有變形、損傷自診斷功能的智能混凝土結構；4）具有疲勞壽命預報能力的智能土木結構；5）具有監測鋼筋或鋼構件銹蝕狀態能力的智能土木結構；6）具有感知和自我調節功能的智能減振（橋梁）結構；3.3智能土木結構的 研究 內容3.3.1智能化策略性研究智能土木結構的首要研究內容就是對傳統結構智能化的概念設計策略性研究。需要針對結構類型及其重

13、要性的不同，以及現有工藝技術水平和 經濟 資金情況等多個方面因素，合理地確定智能化目標，在兼顧技術先進性、實用性和經濟節省的前提下采用合理功能層次的智能土木結構。確定了智能化目標以后，就需要著手做一些準備工作，它們是：對結構在使用中可能發生的各種行為進行預測，對結構在力學物理環境下出現的各種反應進行預估，以確定結構中需要實現智能化監控的部位，確定整體監控方案。3.3.2傳感元件（sensor）研究另外一項重要研究內容就是傳感元件。感覺是智能土木結構的基礎性功能，它利用在傳統建筑材料中埋入傳感元件（或利用傳感、結構耦合材料）來采集各種信息，經過處理 分析 ，才可實現自診斷、自驅動等智能控制功能。

14、有鑒于此，應對傳感元件提出一些特殊要求如下：1）尺寸細微，不 影響 結構外形；2）與基體結構耦合良好，對原結構材料強度影響很小；3）性能穩定可靠，耐久性好，與基體結構有著相同的使用壽命；4）傳感的覆蓋面要寬；5）信號頻率響應范圍要寬；6）能與結構上其它電氣設備兼容；7）抗外界干擾能力強；8）能在結構的使用溫度及濕度范圍內正常工作。可列入研究范圍的元件有：光導纖維，壓電陶瓷，電阻應變絲，疲勞壽命絲，銹蝕傳感器，碳纖維等。3.3.3作動材料（actuator）研究智能土木結構的最終目標是實現結構的智能控制，而控制是由作動材料實現的。利用某些存在物理耦合現象的材料，尤其是機械量與電、熱、磁、光等非機

15、械量的耦合材料，作為結構的作動件。可以通過控制非機械量的變化來獲取結構特性（形狀、剛度、位置、應力應變狀態、頻率、阻尼、摩阻等）的改變，從而達到作動目的。對它的要求主要有：1）與基體結構耦合良好，結合強度高；2）作動元件本身的靜強度和疲勞強度高；3）驅動 方法 簡單安全，對基體結構無影響，激勵能量小；4）激勵后能產生高效穩定的控制，反復激勵下性能穩定；5）頻率響應范圍寬，響應速度快，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 有關作動元件的研究正在一些領域展開，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智能結構信息處理智能土木

16、結構要成為有機的整體，還須借助于信息的流動控制及加工處理。只有使信息在環境、結構、傳感器、信息處理中樞及作動系統之間有序地流動，并同時進行加工處理，方可使結構具有智能功能。其信息流動可如下圖所示：由此可見，應首先對數據采集予以研究。這包括各種傳感器信號的a/d轉換以及數據處理通訊接口軟硬件的研制8.作為一種嘗試，筆者利用傳統結構實驗裝置，實現了單片機應變儀與微機在線通訊的硬件組建及 計算 機數據接受軟件的開發，初步的結果表明，建立土木結構在線監測是完全可以做得到的。其次，應著重研究輸入到計算機中的數據的智能化處理算法，以及相應軟件的開發。算法的核心目標應為對結構內部力學、物理場的全面計算。在此

17、，應注意算法的快速性，避免因算法過于復雜而失去了智能結構的機敏、實時特性9.接著，應對結構的健康診斷及安全評定方法予以研究。包括結構的數學建模，參數空間的模式識別，損傷評定，體系可靠性分析，以及人工智能的 應用 。最后需要研究的是結構控制機理、結構局部損傷修復方法、結構振動控制機理等 問題 。4.結論及研究建議智能土木結構是材料 科學 、計算機科學、自動控制技術 發展 到一定程度的產物。它涉及到結構和建造的重大變革，涉及到當今土木工程、材料科學、自動控制、計算機軟硬件技術、信息通訊、人工智能等眾多領域內的前沿技術。正如建筑業是國民經濟各部門原動力一樣，智能土木結構及智能建筑不僅對于未來土木界的

18、發展意義重大，而且對于目前主要的高 科技 領域而言也具有重要的意義，它的研發及實現必將進一步帶動其它高科技領域的進一步提高，是土木工程界的知識經濟。毋須置言，對它的研究工作應首先要求結構工程師投入極大的努力，更新觀念，注意吸取其它領域的思想，成為智能土木結構研究的主體，同時還需結構工程師同相關領域的專業人員緊密配合，建立科學化的研究管理機制，才能完成這個系統工程。在具體的研究中，筆者給出了幾點建議，謹供業內 參考 ：1）對于土木工程中普遍使用鋼筋混凝土（包括rc，pc，ppc）、鋼結構的現狀，建議以嵌入式智能結構的研究為重點。這樣做的好處在于能最大限度地利用現有的結構 理論 知識，使研究的重點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濟可行，也可做到工藝水平的傳統與未來的連續。另外，這種思路還