土木工程結(jié)構(gòu)試驗課程論文

1、土木工程結(jié)構(gòu)試驗新技術(shù)簡議唐歡1（1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400045）摘要：土木工程結(jié)構(gòu)試驗是土木工程學(xué)科的一個重要組成部分，是推動土木工程結(jié)構(gòu)理論發(fā)展的重要手段?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的不斷提高，新技術(shù)的應(yīng)用極大提高了試驗的準(zhǔn)確性，促進(jìn)了各實驗室之間的交流與合作。本文介紹了當(dāng)前土木工程結(jié)構(gòu)試驗的幾種新技術(shù)，包括數(shù)據(jù)庫、大型土木工程結(jié)構(gòu)試驗的模擬仿真、虛擬儀器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗、光纖傳感器及分布式應(yīng)變測試技術(shù)。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)試驗；新技術(shù)；數(shù)據(jù)庫；仿真；虛擬儀器；網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗、光纖傳感器中圖分類號：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ABrief Discussi

2、on on New Technology of Civil Engineering Structure TestingTang huan1(1.College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)Abstract: Civil engineering structure testing is an important part of civil engineering discipline, and an important mean to promote the development of

3、civil engineering structure theory. The rapid development of modern science and technology promotes the structure testing technology unceasing improvement. The application of new technology greatly improves the accuracy of the testing, and promotes the communication and cooperation between different

4、 laboratories. This paper introduces the current several new techniques of civil engineering structure testing, including database, large civil engineering structure testing simulation, virtual instrument technology, networked structural laboratories, optical fiber sensors and distributed strain tes

5、ting technology.Keywords :structure testing；new technology；database；simulation；virtual instrument；networked structural laboratories; optical fiber sensors0引言土木工程試驗是土木工程學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，為驗證和發(fā)展土木工程結(jié)構(gòu)理論提供了重要依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的試驗技術(shù)已不能滿足土木工程學(xué)科進(jìn)一步發(fā)展的需要，由此一批新的結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)便孕育而生。計算機(jī)技術(shù)已成為結(jié)構(gòu)試驗不可或缺的一部分，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試驗的數(shù)字信號分析和處理、數(shù)據(jù)存儲與輸出、試

6、驗數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和表達(dá)等，都與計算機(jī)密切相關(guān)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫在試驗數(shù)據(jù)的存儲和分享方面所具有的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)；大型結(jié)構(gòu)試驗的模擬仿真技術(shù)具有無破壞性、可多次重復(fù)性和環(huán)境安全性等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗火等研究方向和工程領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟；虛擬儀器技術(shù)集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，在土木工程的結(jié)構(gòu)與橋梁健康監(jiān)測方面逐漸得到了應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展促使了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同試驗技術(shù)的產(chǎn)生，它可以實現(xiàn)各結(jié)構(gòu)試驗室之間的交流與合作，做到優(yōu)勢互補(bǔ)，同時減少經(jīng)費(fèi)投入，節(jié)省了大量資金。傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)試驗中應(yīng)用最早且十分普及，但其具有施工復(fù)雜，只能進(jìn)行點(diǎn)式

7、測量等缺點(diǎn)，而新型的光纖傳感器則很好的克服了這些缺點(diǎn)，工程應(yīng)用發(fā)展迅速。本文將重點(diǎn)對以上幾種新技術(shù)在土木工程試驗中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。1數(shù)據(jù)庫土木工程結(jié)構(gòu)試驗一般試驗周期長、投資大, 試驗獲取的數(shù)據(jù)和信息有突出的作用, 因此將試驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息進(jìn)行收集、整理、加工和建庫保存,實現(xiàn)資源共享顯得尤為重要。經(jīng)過探索研究發(fā)現(xiàn)，解決這個問題實用且便利的方法是建立結(jié)構(gòu)試驗科學(xué)數(shù)據(jù)庫1。建立一個高性能的結(jié)構(gòu)試驗科學(xué)數(shù)據(jù)庫的基本步驟為：1. 結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)庫概要設(shè)計1.1結(jié)構(gòu)試驗過程規(guī)范化設(shè)計1.2結(jié)構(gòu)試驗分類1.3試驗實施階段數(shù)據(jù)規(guī)范化設(shè)計2. 數(shù)據(jù)模型的技術(shù)實現(xiàn)方案2.1建立元數(shù)據(jù)庫2.2建立文本

8、對象數(shù)據(jù)庫科學(xué)數(shù)據(jù)共享是當(dāng)代科技界的戰(zhàn)略抉擇，建立結(jié)構(gòu)試驗科學(xué)數(shù)據(jù)庫及其信息系統(tǒng)是必要的、有意義的。這個基礎(chǔ)性的、計算機(jī)化的數(shù)據(jù)環(huán)境是土木工程結(jié)構(gòu)試驗和信息科學(xué)交叉、結(jié)合的結(jié)果, 它為結(jié)構(gòu)工程科研人員提供了一個方便適用的多媒體試驗檔案存儲和管理平臺, 并為相關(guān)人員提供試驗數(shù)據(jù)共享平臺, 支持遠(yuǎn)程實時數(shù)據(jù)交換，間接的促進(jìn)了各試驗室之間的合作與交流2。2大型土木工程結(jié)構(gòu)的模擬仿真技術(shù)一般說來，大型土木工程結(jié)構(gòu)需要依靠較多的新型體系來支撐，構(gòu)造較為復(fù)雜。因此大型土木結(jié)構(gòu)試驗的試件制作和試驗實施所耗費(fèi)的人力、財力和時間都隨著工程規(guī)模的增大而增大。模擬仿真技術(shù)具有無破壞性、可多次重復(fù)性和環(huán)境安全性等優(yōu)點(diǎn)

9、，對大型土木結(jié)構(gòu)開展虛擬試驗，則可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)試驗的缺點(diǎn)。土木工程結(jié)構(gòu)試驗是研究和發(fā)展建筑結(jié)構(gòu)理論的重要手段，而試驗裝置的工作性能將直接影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在選擇試驗裝置時，總是要在滿足基本試驗要求的前提下，盡可能地降低試驗裝置的投資成本。試驗規(guī)模越大，試驗裝置的復(fù)雜程度就會越高，試驗方案和試件設(shè)計中把握試驗裝置各部件安全性的困難就越明顯。如果能充分利用仿真技術(shù)，就可以克服這些困難，在試驗準(zhǔn)備階段識別關(guān)鍵受力構(gòu)件，并采取相應(yīng)的加固或改造措施，避免不必要的設(shè)備損壞。此外，大型結(jié)構(gòu)試驗裝置的裝配難度一般也相應(yīng)地有所提高，利用仿真技術(shù)模擬裝配，可以有效提高試驗裝置的設(shè)計效率，減小零件加工差錯，并節(jié)約

10、調(diào)試和安裝的時間3。實施土木工程模型試驗的仿真，必須選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則，而這兩個方面特性的確定，都離不開大量的試驗研究作為數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。因此土木工程仿真技術(shù)尚不能獨(dú)立于試驗研究之外而自成研究手段，但其在土木工程結(jié)構(gòu)試驗中的應(yīng)用將會越來越廣。3虛擬儀器技術(shù)數(shù)據(jù)采集與分析是結(jié)構(gòu)試驗的重要環(huán)節(jié)，通常需要由相應(yīng)的儀器完成此工作。傳統(tǒng)的測試儀器通常由專門的廠家定制，功能擴(kuò)展性差、環(huán)境適應(yīng)性差，難以滿足結(jié)構(gòu)試驗及檢測技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的需求。特別是在結(jié)構(gòu)檢測中，由于安裝環(huán)境往往較為惡劣，傳統(tǒng)儀器體積大、攜帶困難的缺點(diǎn)尤為顯著。虛擬儀器是一個新型概念，是計算機(jī)技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用形成的一種新型的

11、、富有生命力的儀器種類。它由用戶定義測量功能，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，便于組成自動測試系統(tǒng)。傳統(tǒng)的測量儀器基本上由硬件或固化的軟件組成，因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計復(fù)雜、靈活性差，沒有擺脫獨(dú)立使用，手動操作的模式，整個測試過程幾乎僅限于簡單地模仿人工測試的步驟，在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合下，使用起來很不方便。計算機(jī)科學(xué)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，有力地促進(jìn)了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術(shù)。目前正在研究的第三代自動測試系統(tǒng)中，計算機(jī)處于核心地位，計算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成一個有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化，出現(xiàn)了新的儀器概念虛擬儀器VI(Virtual Inst

12、rument)。由于虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都被計算機(jī)所替代，徹底打破了傳統(tǒng)儀器性能只能由廠家定義、使用過程中儀器參數(shù)不易更改、且儀器體積龐大，難以攜帶等缺陷。虛擬儀器用一臺計算機(jī)即可構(gòu)成整套智能儀器，使用者通過圖形界面進(jìn)行操作，并能根據(jù)需要設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，可通過軟件的方法修改參數(shù)，以適應(yīng)不同測試情況的需求4。其成本低，技術(shù)更新快，具備良好的可控性，可多次重復(fù)使用，安全經(jīng)濟(jì)，不受外界環(huán)境限制。目前虛擬儀器技術(shù)在土木工程的結(jié)構(gòu)與橋梁健康監(jiān)測方面逐漸得到了應(yīng)用。4網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)隨著結(jié)構(gòu)試驗的大型化

13、和復(fù)雜化，需要更為精確、準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜工作條件，此時單個實驗室資源往往無法滿足此類結(jié)構(gòu)試驗的要求。由于現(xiàn)場條件的限制，希望充分發(fā)揮有限的試驗資源，把各地的大型結(jié)構(gòu)實驗室的資源都利用起來進(jìn)行相應(yīng)的實驗室模型協(xié)同試驗，從而實現(xiàn)資源共享。由此，提出了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同的結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，使得遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制在結(jié)構(gòu)實驗領(lǐng)域的應(yīng)用價值愈發(fā)凸顯，將結(jié)構(gòu)試驗方法和概念提高到一個新水平?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)不僅可以將分散在不同實驗室的設(shè)備資源進(jìn)行整合與協(xié)同，形成一個規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)實驗室；還可以通過將大型結(jié)構(gòu)分解成若干個子結(jié)構(gòu)，每個子結(jié)構(gòu)在不同的實驗室進(jìn)行實驗，整個試驗通過網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程

14、控制達(dá)到各個實驗室之間的多地協(xié)同工作，各個子結(jié)構(gòu)實驗通過網(wǎng)絡(luò)化方法集成為整體結(jié)構(gòu)5。這種網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)具有如下優(yōu)勢： 使各具特色的結(jié)構(gòu)實驗室強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，做到優(yōu)勢互補(bǔ)； 過去中小規(guī)模的結(jié)構(gòu)實驗室通過網(wǎng)絡(luò)平臺得到提升和拓展，在設(shè)備能力上彌補(bǔ)過去的不足； 過去沒有實驗設(shè)備的單位和研究人員也可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺使用實驗設(shè)備； 經(jīng)費(fèi)投入小，節(jié)省了結(jié)構(gòu)實驗室建設(shè)的大量資金。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗的典型代表是美國地震工程模擬系統(tǒng)NEES（Network for Earthquake Simulation），其目的是為了支持地震工程研究和教育領(lǐng)域的廣泛合作6。NESS的地震研究設(shè)備包括建立新一代振動臺、巖土

15、離心試驗機(jī)、海嘯波浪水池、大型實驗室系統(tǒng)以及通過高效互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接的現(xiàn)場實驗和監(jiān)控體系。除了可以通過網(wǎng)絡(luò)對NESS設(shè)備站點(diǎn)實行遠(yuǎn)程操作，還可以在網(wǎng)上聯(lián)結(jié)高性能計算和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，包括一個地震工程及相關(guān)領(lǐng)域的試驗和分析方面的診斷數(shù)據(jù)庫。NEES實現(xiàn)了諸如土木、地震工程、結(jié)構(gòu)、巖土和海嘯、信息技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)、傳感器和測試儀器、可視化和實驗與模擬軟件等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉，充分體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)滲透、交叉、融合的特點(diǎn)。我國也在積極開展這一領(lǐng)域的研究工作，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)抗震試驗。湖南大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)省重點(diǎn)實驗室與美國一些結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)同試驗的合作，在國內(nèi)最先提出開展結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同試驗研究，并于2000年

16、開始開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺即網(wǎng)絡(luò)實驗室。5光纖傳感器及分布式應(yīng)變測試技術(shù)應(yīng)變測試是結(jié)構(gòu)試驗與檢測的重要內(nèi)容，通過測試結(jié)構(gòu)有關(guān)部位的應(yīng)變，可以了解其在荷載作用下的應(yīng)力分布情況、內(nèi)力情況，從而了解結(jié)構(gòu)的性能和承載能力等。傳統(tǒng)的應(yīng)變測量主要是通過在試件需要測量的部位粘貼應(yīng)變片，但其具有施工工藝較復(fù)雜，對應(yīng)變片粘貼的操作人員技術(shù)水平要求較高，且易受試驗現(xiàn)場環(huán)境的電磁信號、強(qiáng)光、溫度等條件的干擾等缺點(diǎn)，不能提供完全準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。新型的光纖傳感器則能克服傳統(tǒng)應(yīng)變片的這些缺點(diǎn)，可采集到更加準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，因此在近幾年得到了廣泛的關(guān)注與研究，工程應(yīng)用發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下獨(dú)特的優(yōu)

17、點(diǎn)7： 靈敏度高：由于光是一種波長極短的電磁波，通過光的相位便得到其光學(xué)長度，由于所使用的光纖直徑很小，受到微小的機(jī)械外力時其光學(xué)長度就會發(fā)生變化，從而引起較大的相位變化，通過對光相位的變化進(jìn)行觀察，便可得到被測信號，因此光纖傳感器的靈敏度極高。 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、適用于惡劣環(huán)境：光纖傳感器的纖芯材料為SiO2。該傳感器具有抗電磁干擾，防雷擊，防水，防潮，耐高溫，抗腐蝕等特點(diǎn)，適用于水下、潮濕、有電磁干擾等一些條件比較惡劣的環(huán)境，與金屬傳感器相比具有更強(qiáng)的耐久性； 可實現(xiàn)長距離、分布式監(jiān)測：現(xiàn)代的大型或超大型結(jié)構(gòu)，要通過傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)全方位的監(jiān)測相當(dāng)困難，而且成本較高。但是通過布

18、設(shè)具有分布式特點(diǎn)的光纖傳感器，光纖即作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，可以真正實現(xiàn)長距離、分布式監(jiān)測； 測量速度快：光的傳播速度最快且能傳送二維信息，因此可用于高速測量。 信息量大：被測信號以光波為載體，且光的頻率極高，所容納的頻帶很寬，同一根光纖可以傳輸多路信號。此外，光纖傳感器還具有質(zhì)量輕、體積小、可繞曲、測量對象廣泛、復(fù)用性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的應(yīng)變測試方式都屬于局部的點(diǎn)式測試，無法應(yīng)用于龐大結(jié)構(gòu)的分布式監(jiān)測解決方案。分布式光纖傳感技術(shù)正是基于這種要求而被提出，它是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射OTDR技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)。除了具有普通光纖傳感器的特點(diǎn)外，其最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是可以準(zhǔn)

19、確地測出光纖沿線任意點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度、振動和損傷等信息，無需構(gòu)成回路。如果將光纖縱橫交地鋪設(shè)成網(wǎng)狀，可構(gòu)成具備一定規(guī)模的監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測，克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測的成功率。到目前為止分布式光纖傳感器已取得了相當(dāng)大的發(fā)展，并在以下3個方面獲得了突破：基于瑞利散射的分布式傳感技術(shù)、基于布里淵散射的分布式傳感技術(shù)、基于拉曼散射的分布式傳感技術(shù)。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已經(jīng)趨于成熟，并逐步走向?qū)嵱没??；诓祭餃Y散射的分布式傳感技術(shù)的研究起步較晚，但由于它在溫度、應(yīng)變測量上所達(dá)到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率均高于其他傳感技術(shù)，因此這種技術(shù)在目前受到了廣泛的關(guān)注

20、與研究8。6結(jié)語計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、傳感器等技術(shù)的進(jìn)步使得土木工程結(jié)構(gòu)試驗與測試更加便捷與準(zhǔn)確，采用新技術(shù)已經(jīng)能夠完成以往很難進(jìn)行的大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)試驗，進(jìn)而促進(jìn)土木工程結(jié)構(gòu)理論不斷向前發(fā)展。通過對本文介紹的幾項新技術(shù)進(jìn)行分析與總結(jié)，可以看出當(dāng)前結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢：1. 研究高效便捷的試驗數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，使得試驗數(shù)據(jù)能夠在不同的時間與地點(diǎn)共享。2.計算機(jī)技術(shù)與結(jié)構(gòu)試驗的結(jié)合，促使結(jié)構(gòu)試驗朝著智能化的方向發(fā)展。3.系統(tǒng)的集成化研究，其目標(biāo)是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)試驗、檢測、監(jiān)測等系統(tǒng)的內(nèi)部集成以及與泛在網(wǎng)絡(luò)的集成。4.研究具備分布式、高精度、高適應(yīng)性、接口標(biāo)準(zhǔn)化的新型傳感器。目前我國在土木工程結(jié)構(gòu)試驗新技術(shù)的開發(fā)

21、和應(yīng)用方面與國外先進(jìn)水平還存在差距，改變這種局面一方面需要國家有關(guān)部門的支持，另一方面需要各科研院校和試驗工作者們的共同努力。參考文獻(xiàn)1易偉建,何慶鋒,肖巖.工程結(jié)構(gòu)試驗數(shù)據(jù)庫模型設(shè)計研究J. 湖南大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2006,33(2):22-25. (Yi Weijian, He Qingfeng, Xiao Yan. Research on Database Modeling Design of Structural Experiments J.Journal of Hunan University (Natural Sciences),2006,33 (2):22-25.(in

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