甚麼是結構健康監測?

文│阮家榮
中文翻譯│陳靜

圖│譚金榮、部分由阮家榮提供

隨著經濟科技的迅速發展,基礎設施的規模也越來越大。例如,現今的摩天大樓可以高達一千米。此外,新發明的材料和新型結構構件也使結構行為更加複雜。傳統的人工檢測不僅成本高,而且有種種局限性。例如,用於確定混凝土抗壓強度的非破壞性檢測方法雖然被普遍採用,但卻只能測定局部範圍的抗壓強度。由於技術成本原因,很難對大型建 築物的所有位置都進行檢測。另一方面,一些先進 技術可以檢測到建築物極其微小的振動反應。這種振動的強度弱至10-5g或10-6g,也就是重力加速度的百萬分之一。但是,這種檢測並不容易,因為這樣的反應非常隨機。

結構健康監測

結構健康監測是用於診斷建築物健康狀況的自動化策略。最近幾十年引起各界極大興趣。尤其值得一提的是,過去10年間,由於感應技術和數據採集系統的迅速發展,這個領域也有了重大進展。結構健康監測主要有四個目的:(1)確定建築物是否有結構性損壞;(2)確定損壞的位置;(3)評估損壞的嚴重程度;(4)評估因為損壞而對建築物整體可靠性造成的影響。

結構健康監測分為兩大類:靜態監測和動態監測。靜態監測通常是測量建築結構(例如橋)不同位置的應變,然後據此判斷其與正常熱膨脹之間的差值是否在可接受範圍之內。但是靜態監測的問題在於應變直接取決於施加於建築上的外力或激勵。因此,應變的值可能只能反應負載情況的變化,而非建築物的健康狀況。而且,應變測量值也只反映局部行為。

阮家榮是澳門大學科技學院土木及環境工程系教授兼教務長。2002年,他以兩年七個月時間獲得加州理工學院土木工程學博士學位。地震工程學之父G.W. Housner教 授的第三代弟子。2010年,他成為澳大首位35歲前獲晉升為正教授的學者。

動態監測

動態監測的理念類似於中醫的把脈,不過難度卻大很多。動態監測不是評估建築物的振幅是否太大,而是確定振動的時頻性質。例如,敲擊一隻杯子會產生某個聲頻,這個聲頻並不會隨敲擊力度的改變而改變。但是,如果杯子上有道裂縫,那麼音頻就會改變。而且裂縫的位置、長度和深度都會對聲頻造成不同的影響。但是,結構健康監測的問題比這個要複雜的多,因為動態負載(地面運動、風負載、海浪、交通引起的負載)是隨機的,通常無法完全測量。此外,土木工程的規模很大,尤其是那 些需要接受健康監測的建築物。

在動態結構健康監測系統中,感應器(通常是加速儀)是安裝在建築物不同位置的。由於典型結構的重要頻段介乎0.1Hz和20Hz之間,取樣頻率必須為 100Hz或以上,才能對結構反應有足夠的描述。也就是每個位置每秒鐘要測量最少100次。

另一個困難在於需要確定的未知參數的數量非常大, 因為土木工程(例如橋)是由很多組件構成的。我們必須要有同樣多甚至更多的方程式才能確定這些未知參數。在結構健康監測的問題上,這類方程式是從建築物的感應器上獲得的。在這個情況下,我們可能需要數量龐大的感應器,但是這樣會造成高昂的成本和極大的運算量。

實時結構鑑定

2015年10月23日,香港汲水門大橋遭到船隻碰撞,導致大橋被封1.5小時。由於汲水門大橋是通往赤鱲角機場的主幹道,這場事故造成了巨大的經濟損失。如果可以進行實時結構鑑定,就可以立刻確定大橋是否安全,而不用封橋之後請工程師進行檢測或其他線下結構鑑定計算。這種實時鑑定既能迅速確定建築物的安全狀況,又能將經濟損失降至最低。但是,實時結構鑑定是個非常具有挑戰性的問題。首先,土木工程結 構的規模通常都很大,所以必須使用非常複雜的有限元素模型。其次,由於取樣頻率通常是數百赫茲,每秒鐘要將一個巨大的結構模型更新幾百次的難度有多大可想而知。

模型類別選擇

進行結構健康監測一定要選擇適當類別的模型。這一點非常重要。這個問題看似簡單,但實則不然。讓我們舉一個例子來解釋。假設甲同學在物理課上 學到了F=ma這個公式。在實驗課上,他做了一些實 驗,獲得了十個數據點。然後他通過EXCEL擬合直 線獲得常量m,看這個常量是否和質量吻合。再假 設乙同學只做實驗沒有上課,所以他並不知道F=ma 這個公式。他用二階多項式在EXCEL擬合拋物線。結果他的數據擬合比甲同學的數據擬合好,因為拋物線為數據擬合提供更多靈活性。然後,丙同學也進行了數據擬合,但用的是九階多項式。結果怎麼樣?她的結果是零誤差,因為這個多項式擁有10 個可調整係數,所以可以毫無偏差的穿過10個點。但是,九階多項式非常波動,絕不是有效的預測模型。這個故事說明了甚麼?說明我們不能僅僅根據擬合誤差來選擇模型類別。擁有太多可調整參數的模型在擬合數據的細節(包括噪音)方面很有用,但是卻會導致「過度擬合行為」。這類模型並不能對未來做出可靠的預測。

Beck和Yuen(2004)發表了首篇在結構健康監測領域中探討如何選擇模型類別的方法的論文。大量的未知參數、沒有激發測量值可參考以及土木工程結構的高度不確定性,使得這個問題在結構健康監測領域特別具有挑戰性。這篇論文對模型的複雜性加以量化,同時綜合考慮模型擬合能力及模型複雜性,對不同類別的模型進行優劣排序。模型擬合能力及模型複雜性的最佳切合點反映了模型的穩健性,而模型穩健性是衡量模型表現的關鍵指標,因為它代表模型在防止建模偏差和其他不確定性方面的脆弱度。該論文一經發表即獲得廣泛關注,甚至吸引了化學、物理、電機工程、教育測量、醫學和材料科學等其他各領域學者的關注。在美國土木工程師學會《工程力學期刊》歷史上發表過的幾千篇論文中被評為引 用次數最多的10大論文之一。

最近,我們在這個研究的基礎上,考慮一個更具挑戰性的問題,即如何實時選擇模型類別。這個問題很難,因為數據採集時間間隔通常是1/200或1/500秒。換言之,我們每秒鐘須完成200或500次的模型類別選擇和參數確定。該論文為建立可靠的實時結構健康監測系統奠定了重要的理論基礎。由於該論文的重要性,獲《計算機輔助土木和基建工程》期刊發表。該期刊在126份獲SCI/SCIE索引的土木工程期刊中排名第一。而該論文在同期發表於該期刊的120篇論文中引用次數排名第二。

作者曾對澳大舊校園東亞樓進行長達5年的全天候監測

舊校園東亞樓的監測

我們曾對舊校園的東亞樓進行長達5年的全天候監測。我們研究氣溫、濕度等環境因素對結構長期行為的影響。此外,我們還研究了幾次強烈颱風天氣下建築物的極端行為。我們參加了2009年的全國挑戰杯,為澳門獲得該比賽的首個一等獎。我們還獲邀對汀九橋實測數據進行分析。

第16期 | 2017年

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2019-11-26T12:56:52+08:00