经验交流：智能土木结构理论初探（一）

回顾了“智能材料结构”在土木工程领域的最新发展，明确了“智能土木结构”的基本概念和发展过程，系统阐述了构成其理论体系的相关内容和问题。提出了智能结构三个层次的概念和智能土木结构的分类方法，并提出了今后的研究策略和几个主要方向。
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
建筑最初是为了满足人类生活的舒适性和安全性要求而产生的。时代的原始建筑是用天然材料制成的封闭空房间，可以防风防雨，防入侵。随着社会生产力的不断发展，人类对建筑的要求日益复杂多样。作为建筑的核心骨架，人们也对其提出了更高的要求。现代建筑，如高层建筑、大跨度桥梁、大坝和地下建筑，要求其土木结构提供更高的强度、更好的可靠性、耐久性和安全性。同时，在现代社会中，这些大型建筑在整个国民经济中发挥着越来越重要的作用，这就特别要求它们具有更强的防灾能力。
传统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、定期对结构进行评估和维护来满足这些要求。然而，这些传统方法都是消极被动的:建筑物一旦建成并投入使用，人们将失去对结构的完全控制，结构失效和灾难的发生将不取决于其设计者、建造者和使用者的意志。对于人们来说，预测和预防它将是一件非常困难的事情。另外，如果单纯依靠传统的要求结构具有足够的刚度、强度和延性的结构工程设计理念，当结构的环境因素超过一定程度时，将是不经济的，达不到预期的效果。
在调查了许多建筑灾害的实例后发现，在建筑结构的整个设计寿命期内都可能发生结构失效。原因是:
1)由于结构抗力的衰减和正常范围内损伤的累积，强度和可靠性下降；
2)材料老化、腐蚀和力学性能恶化(如蠕变等)引起的结构耐久性失效。);
3)施工质量和使用不当造成的结构隐患和损坏；
4)结构长期动载荷引起的疲劳破坏；
5)意外超载(如地震荷载、爆炸冲击荷载等)造成的损坏。).
这些原因都对结构的强度和安全性提出了传统设计方法无法满足的要求。因此，有必要对建筑结构进行实时监测，然后由结构本身做出智能响应。
2。IntelligentCivilStructure概念的形成及研究现状
2.1 intelligent civil structure概念的形成
现代材料技术的发展与进步将人类社会推向了信息时代，信息材料的生产实现了设计与制造的一体化。各种具有信息获取和传输功能的材料和构件正逐渐进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器和驱动材料紧密集成到结构中，同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器和现代计算机集成到大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等的激发和控制。，结构不仅具有承受建筑荷载的能力，而且具有自我感知、自我分析计算、自我推理和自我控制的能力。具体而言，该结构将能够检测参数(如应变、损伤、温度、压力、声音、化学反应)并传输检测到的数据。具有一定的数据实时计算和处理能力，包括人工智能诊断和推理，能够初步改变结构的应力分布、强度、刚度、形状和位置。简而言之，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。
文献对智能结构的定义是:“将具有仿生功能的材料融合到基材中，使制造的构件(结构)具有预期的智能功能。这种结构被称为智能材料结构”。可见，智能结构是传统结构功能的升华。智能结构在土木结构中的应用称为智能土木结构。
2.2研究现状
如前所述，智能土木结构的概念是为了解决评估结构的强度、整体性、安全性和耐久性等问题而提出的。对民用建筑结构的性能进行监测和预测，不仅可以大大降低维护成本，还可以提高预测能力。现有的无损检测技术不能对结构进行实时监测，也不能预测结构的损伤和评估其完整性。这些方法的致命缺点是预测方法是由表及里的。从信息传播的角度来看，不可避免的会夹杂各种干扰信息，使检测结果失真，效率低下，甚至导致完全错误的检测结果。通过在结构中嵌入传感器形成网络，可以实时监测结构的性能，这就是智能土木结构的由内向外预测方法。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。
美国在80年代中后期开始在很多桥梁上设置监测传感器，并在验证设计中使用一些假设来监测施工质量和使用安全状态。例如，数百个传感器安装在佛罗里达州的SunshineSkywayBridge[2]。英国在20世纪80年代末开始研究和安装大型桥梁的监测仪器和设备。在中国，香港的澜沧江大桥和青马大桥、mainland China的虎门大桥和江阴长江大桥也在施工期间安装了传感系统，以监测已建成桥梁的使用安全。1993年，加拿大卡尔加里建造的BeddingTrail大桥首次成功安装了光纤布拉格光栅传感器，用于监测桥梁内部的应变状态。
在其他土木工程领域，如石油平台、大坝、船闸等大体积混凝土结构中，已经尝试布置传感器来构造智能结构。同样，近年来发展起来的高性能、大规模分布式智能传感器组件也为民用建筑和结构的智能监控系统的发展提供了基础，智能建筑在中国如雨后春笋般涌现。在民用建筑结构的应用中，结构智能振动控制的研究已有近30年的历史。