分析建筑工程中对土建技术

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摘要:现代土木结构是材料科学、计算机科学、自动控制技术发展到一定程度的产物。它涉及到结构和建造的重大变革,涉及到当今土木工程、材料科学、自动控制、计算机软硬件技术、信息通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术.

关键词:现代土木结构;智能控制;技术分析

现代土木结构的概念现代材料技术的发展进步促使了人类社会进入了信息时代,信息材料的生产业已实现设计制造一体化。各种具有信息采集及传输功能的材料及元器件正逐渐地进入土木工程师的视野。人们开始尝试将传感器、驱动材料紧密地融合于结构中,同时将各种控制电路、逻辑电路、信号放大器、功率放大器以及现代计算机集成于结构大系统中。通过力、热、光、化学、电磁等激励和控制,使结构不仅有承受建筑荷载的能力。还具有自感知、自分析计算、自推理及自我控制的能力。具体说来,结构将能进行参数如应变、损伤、温度、压力、声音、化学反应)的检测及检测数据的传输,具有一定的数据实时计算处理能力,包括人工智能诊断推理,以及初步改变结构应力分布、强度、刚度、形状位置等能力。简言之,即使结构具有自诊断、自学习、自适应、自修复的能力。这就是现代土木结构概念的形成过程。

现代结构是传统结构的功能的升华。现代结构在土木结构中的应用便称之为现代土木结构。

现代土木结构技术分析.

结构智能化传统的土木结构是一种被动结构,一经设计、制造完成后,其性能及使用状态将很大程度上存在着不可预知性和不可控制性,这就给结构的使用和维护带来不便。为了解决这一问题,发展出了在线监测结构,它赋予传统土木结构以在线监测机制,从而为探知结构内部性能打开了窗口,使人员可以方便地了解结构内部物理、力学场的演变情况,这就是结构智能化的第一层次。在在线监测结构的基础上,进一步增加了监测数据的智能处理机制,使得结构具有自感知、自诊断、自推理的能力,从而使结构实现了第二层次的智能化。

现代土木结构分类现代土木结构按其材料可分为两种类型,分述如下:

嵌入式现代土木结构在基体材料如钢结构、钢筋混凝土结构中嵌入具有传感、动作和控制处理功能的材料或仪器,并集成进现代计算机硬件软件技术,由传感元件采集和检测结构内部信息,由计算机对这些信息进行加工处理,并将处理结果通知控制处理器,由控制处理器指挥、激励驱动元件执行相应动作。

属于这种类型的智能结构只需对传统土木结构加以改进即可,无须额外研究结构的传统力学性能,易于做到传统结构与智能结构的平稳过渡,故而成为研究的焦点。

基体、智能材料耦合结构某些结构材料本身就具有智能功能,它们能够随着自身力学、物理状态的改变而改变自身的一些其它性能。如碳纤维混凝土材料能随自身受力情况而改变其导电性能,只要探测到这一改变,便可以间接获得结构的内部力学信息。

按照结构智能化目的的不同,又可将其分为如下几类:a.具有裂缝自诊断和自愈合功能的智能混凝土结构;b.具有应力应变状态自诊断功能的智能混凝土结构.c.具有变形、损伤自诊断功能的智能混凝土结构;d.具有疲劳寿命预报能力的现代土木结掏.e.具有监测钢筋或钢构件锈蚀状态能力的现代土木结构;￡具有感知和自我调节功能的智能减振(桥梁)结构。

现代土木结构的研究内容.

智能化设计现代土木结构的首要研究内容就是对传统结构智能化的概念设计策略性研究。需要针对结构类型及其重要性的不同,以及现有工艺技术水平和经济资金情况等多个方面因素,合理地确定智能化目标,在兼顾技术先进性、实用性和经济 省的前提下采用合理功能层次的现代土木结构。确定了智能化目标以后,就需要着手做一些准备工作,它们是:对结构在使用中可能发生的各种行为进行预测,对结构在力学物理环境下出现的各种反应进行预估,以确定结构中需要实现智能化监控的部位,确定整体监控方案。

由传感元件实现智能控制另外一项重要研究内容就是传感元件。感觉是现代土木结构的基础性功能,它利用在传统建筑材料中埋入传感元件(或利用传感、结构耦合材料)来采集各种信息,经过处理分析,才可实现自诊断、自驱动等智能控制功能。有鉴于此,应对传感元件提出一些特殊要求如。F-a.尺寸细微,不影响结构外形;b.与基体结构耦合良好,对原结构材料强度影响很小;c.性能稳定可靠,耐久性好,与基体结构有着相同的使用寿命;d.传感的覆盖面要宽Ie.信号频率响应范围要宽; 能与结构上其它电气设备兼容;g.抗外界干扰能力强;h.能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。

可列人研究范围的元件有:光导纤维,压电陶瓷,电阻应变丝,疲劳寿命丝,锈蚀传感器,碳纤维等。

作动材料分析现代土木结构的最终目标是实现结构的智能控制,而控制是由作动材料实现的。利用某些存在物理耦合现象的材料,尤其是机械量与电、热、磁、光等非机械量的耦合材料,作为结构的作动件。可以通过控制非机械量的变化来获取结构特性(形状、刚度、位置、应力应变状态、频率、阻尼、摩阻等)的改变,从而达到作动目的。对它的要求主要有:a.与基体结构耦合良好,结合强度高;b.作动元件本身的静强度和疲劳强度高.c.驱动方法简单安全,对基体结构无影响,激励能量小;d.激励后能产生高效稳定的控制,反复激励 F性能稳定.e.频率响应范围宽,响应速度快,并可控制;常用的作动材料有记忆型合金、压电材料、记忆聚合物以及聚合胶体等。目前有关作动元件的研究正在一些领域展开,如董聪、等人评述了几种常用作动,传感材料的性能。

智能结构信息处理现代土木结构要成为有机的整体,还须借助于信息的流动控制及加工处理。只有使信息在环境、结构、传感器、信息处理中枢及作动系统之间有序地流动,并同时进行加工处理,方可使结构具有智能功能。其信息流动可如下图所示:

由此可见,应首先对数据采集予以研究。

这包括各种传感器信号的A/D转换以及数据处理通讯接口软硬件的研制。作为一种尝试,利用传统结构实验装置,实现了单片机应变仪与微机在线通讯的硬件组建及计算机数据接受软件的开发,初步的结果表明,建立土木结构在线监测是完全可以做得到的。

其次。应着重研究输入到计算机中的数据的智能化处理算法,以及相应软件的开发。算法的核心目标应为对结构内部力学、物理场的全面计算。在此,应注意算法的快速性,避免因算法过于复杂而失去了智能结构的机敏、实时特性。

接着,应对结构的健康诊断及安全评定方法予以研究。包括结构的数学建模,参数空问的模式识别,损伤评定,体系可靠性分析,以及人工智能的应用。

最后需要研究的是结构控制机理、结构局部损伤修复方法、结构振动控制机理等问题。

结论现代土木结构是材料科学、计算机科学、自动控制技术发展到一定程度的产物。它涉及到结构和建造的重大变革,涉及到当今土木工程、材料科学、自动控制、计算机软硬件技术、信息通讯、人工智能等众多领域内的前沿技术。正如建筑业是国民经济各部门原动力一样,现代土木结构及智能建筑不仅对于未来土木界的发展意义重大,而且对于目前主要的高科技领域而言也具有重要的意义,它的研发及实现必将进一步带动其它高科技领域的进一步提高,是土木工程界的知识经济。