日本桥梁和建筑结构监测的研究与实施综述丨Engineering(29)

信息技术的进步使得需要传感器和控制律的主动和半主动控制方法得以实现。随着振动控制技术的不断发展，该领域的研究重点逐步转向了使用信息技术的结构评估和损害检测方面，使用信息技术的结构评估和损害检测被广泛称为结构无损监测。尽管使用结构无损监测技术来维护和管理土木工程结构的想法在过去一直存在，但对通过振动测量来检测建筑物中的损坏的研究是从20世纪后期才开始的。促使这项研究开展的第一个推动力是1995年日本阪神（神户地区）大地震，该地震袭击了日本典型的现代化大城市。地震的破坏范围极其广泛，结构工程师需要投入大量的时间和精力来判断许多建筑物的安全性。因此，日本启动了对公共建筑、医院和高层建筑等重要建筑结构地震损伤的快速和自动评估的前沿研究课题。
在实施这项研究期间，日本发生了东日本（东北地区）大地震。在主震后和余震期间，地震灾民返回家乡的指示给东京造成了一些混乱。在大城市，政府建议灾民在发生大地震后最好不要返回家中。在大地震后，如果建筑物还可以被安全使用，那么办公楼的租户应该在大楼里呆几天。非结构工程领域的专家不可能保证建筑物的安全性。这也是人们对通过振动监测进行损坏检测感兴趣的另一个原因。由于设计中使用的分析模型无法准确描述地震响应，因此监测结果会对地震后能否继续使用建筑物的决策产生极大的影响。此外，研究人员还发现，当建筑物管理员向用户或居民报告建筑损坏时，使用地震观测记录是非常有效的。然而，实际建筑物中的传感器数量是有限的。因此，建筑物管理员需要将测量数据与基于模型的分析结合起来，以向用户提供有关建筑结构损坏的有用的信息。
对于中高层钢结构建筑，研究人员可以在最低振动模态下，利用数量有限的传感器轻松评估等效线性动力特性。以识别结果为基础，研究人员通过修改钢结构建筑的分析模型，可以等效线性评估所有楼层上和所有楼层里的结构响应。在不久的将来，按照可接受的精确程度来评估每个结构构件的响应应该是比较困难的，原因是：①安装的传感器数量有限；②许多非结构构件会影响整个结构的地震响应；③很难从结构构件的测量结果中提取出与损伤直接相关的信号。
在实际情况中，研究人员将根据结构和非结构构件、设备、家具等的损坏程度，综合评估由地震导致的整个建筑物的损害程度。每一个损伤的例子都可以按照与加速度有关、与位移有关或与二者都有关的方式进行分类。这也就是说，所有楼层的加速度和位移对地震后临时使用决策的制定都是有用的。楼层之间的位移是指两个相邻楼层的位移之间的差值，它是用于检测每个楼层中结构损坏的必要信息。