土木工程结构试验课程论文

1、土木工程结构试验新技术简议唐欢1（1.重庆大学 土木工程学院，重庆400045）摘要：土木工程结构试验是土木工程学科的一个重要组成部分，是推动土木工程结构理论发展的重要手段。现代科学技术的快速发展，促进了结构试验技术的不断提高，新技术的应用极大提高了试验的准确性，促进了各实验室之间的交流与合作。本文介绍了当前土木工程结构试验的几种新技术，包括数据库、大型土木工程结构试验的模拟仿真、虚拟仪器技术、网络远程协同结构试验、光纤传感器及分布式应变测试技术。关键词：结构试验；新技术；数据库；仿真；虚拟仪器；网络远程协同结构试验、光纤传感器中图分类号：TU317 文献标识码：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引言土木工程试验是土木工程学科发展的基础，为验证和发展土木工程结构理论提供了重要依据。随着科学技术的进步，传统的试验技术已不能满足土木工程学科进一步发展的需要，由此一批新的结构试验技术便孕育而生。计算机技术已成为结构试验不可或缺的一部分，传统结构试验的数字信号分析和处理、数据存储与输出、试

6、验数据的转换和表达等，都与计算机密切相关。随着计算机技术的发展，数据库在试验数据的存储和分享方面所具有的优势逐渐显现；大型结构试验的模拟仿真技术具有无破坏性、可多次重复性和环境安全性等优点，在结构抗震、抗风、抗火等研究方向和工程领域的应用逐渐成熟；虚拟仪器技术集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，在土木工程的结构与桥梁健康监测方面逐渐得到了应用。互联网技术的应用和发展促使了网络远程协同试验技术的产生，它可以实现各结构试验室之间的交流与合作，做到优势互补，同时减少经费投入，节省了大量资金。传统电阻式应变传感器在结构试验中应用最早且十分普及，但其具有施工复杂，只能进行点式

7、测量等缺点，而新型的光纤传感器则很好的克服了这些缺点，工程应用发展迅速。本文将重点对以上几种新技术在土木工程试验中的应用进行介绍。1数据库土木工程结构试验一般试验周期长、投资大, 试验获取的数据和信息有突出的作用, 因此将试验过程中产生的数据以及相关信息进行收集、整理、加工和建库保存,实现资源共享显得尤为重要。经过探索研究发现，解决这个问题实用且便利的方法是建立结构试验科学数据库1。建立一个高性能的结构试验科学数据库的基本步骤为：1. 结构试验数据库概要设计1.1结构试验过程规范化设计1.2结构试验分类1.3试验实施阶段数据规范化设计2. 数据模型的技术实现方案2.1建立元数据库2.2建立文本

8、对象数据库科学数据共享是当代科技界的战略抉择，建立结构试验科学数据库及其信息系统是必要的、有意义的。这个基础性的、计算机化的数据环境是土木工程结构试验和信息科学交叉、结合的结果, 它为结构工程科研人员提供了一个方便适用的多媒体试验档案存储和管理平台, 并为相关人员提供试验数据共享平台, 支持远程实时数据交换，间接的促进了各试验室之间的合作与交流2。2大型土木工程结构的模拟仿真技术一般说来，大型土木工程结构需要依靠较多的新型体系来支撑，构造较为复杂。因此大型土木结构试验的试件制作和试验实施所耗费的人力、财力和时间都随着工程规模的增大而增大。模拟仿真技术具有无破坏性、可多次重复性和环境安全性等优点

9、，对大型土木结构开展虚拟试验，则可以弥补传统试验的缺点。土木工程结构试验是研究和发展建筑结构理论的重要手段，而试验装置的工作性能将直接影响试验结果的准确性。在选择试验装置时，总是要在满足基本试验要求的前提下，尽可能地降低试验装置的投资成本。试验规模越大，试验装置的复杂程度就会越高，试验方案和试件设计中把握试验装置各部件安全性的困难就越明显。如果能充分利用仿真技术，就可以克服这些困难，在试验准备阶段识别关键受力构件，并采取相应的加固或改造措施，避免不必要的设备损坏。此外，大型结构试验装置的装配难度一般也相应地有所提高，利用仿真技术模拟装配，可以有效提高试验装置的设计效率，减小零件加工差错，并节约

10、调试和安装的时间3。实施土木工程模型试验的仿真，必须选择合理的材料本构关系和破坏准则，而这两个方面特性的确定，都离不开大量的试验研究作为数据库基础。因此土木工程仿真技术尚不能独立于试验研究之外而自成研究手段，但其在土木工程结构试验中的应用将会越来越广。3虚拟仪器技术数据采集与分析是结构试验的重要环节，通常需要由相应的仪器完成此工作。传统的测试仪器通常由专门的厂家定制，功能扩展性差、环境适应性差，难以满足结构试验及检测技术进一步发展的需求。特别是在结构检测中，由于安装环境往往较为恶劣，传统仪器体积大、携带困难的缺点尤为显著。虚拟仪器是一个新型概念，是计算机技术在仪器仪表领域的应用形成的一种新型的

11、、富有生命力的仪器种类。它由用户定义测量功能，具有强大的数据处理能力，便于组成自动测试系统。传统的测量仪器基本上由硬件或固化的软件组成，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用，手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念虚拟仪器VI(Virtual Inst

12、rument)。由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机所替代，彻底打破了传统仪器性能只能由厂家定义、使用过程中仪器参数不易更改、且仪器体积庞大，难以携带等缺陷。虚拟仪器用一台计算机即可构成整套智能仪器，使用者通过图形界面进行操作，并能根据需要设计自己的仪器系统，可通过软件的方法修改参数，以适应不同测试情况的需求4。其成本低，技术更新快，具备良好的可控性，可多次重复使用，安全经济，不受外界环境限制。目前虚拟仪器技术在土木工程的结构与桥梁健康监测方面逐渐得到了应用。4网络远程协同结构试验技术随着结构试验的大型化

13、和复杂化，需要更为精确、准确地模拟复杂工作条件，此时单个实验室资源往往无法满足此类结构试验的要求。由于现场条件的限制，希望充分发挥有限的试验资源，把各地的大型结构实验室的资源都利用起来进行相应的实验室模型协同试验，从而实现资源共享。由此，提出了网络远程协同的结构试验技术。互联网技术的应用和发展，使得远程通信和远程控制在结构实验领域的应用价值愈发凸显，将结构试验方法和概念提高到一个新水平。互联网技术不仅可以将分散在不同实验室的设备资源进行整合与协同，形成一个规模庞大的网络化结构实验室；还可以通过将大型结构分解成若干个子结构，每个子结构在不同的实验室进行实验，整个试验通过网络通信进行数据交换和远程

14、控制达到各个实验室之间的多地协同工作，各个子结构实验通过网络化方法集成为整体结构5。这种网络远程协同结构实验技术具有如下优势： 使各具特色的结构实验室强强联合，做到优势互补； 过去中小规模的结构实验室通过网络平台得到提升和拓展，在设备能力上弥补过去的不足； 过去没有实验设备的单位和研究人员也可以通过网络平台使用实验设备； 经费投入小，节省了结构实验室建设的大量资金。网络远程协同结构试验的典型代表是美国地震工程模拟系统NEES（Network for Earthquake Simulation），其目的是为了支持地震工程研究和教育领域的广泛合作6。NESS的地震研究设备包括建立新一代振动台、岩土

15、离心试验机、海啸波浪水池、大型实验室系统以及通过高效互联网联接的现场实验和监控体系。除了可以通过网络对NESS设备站点实行远程操作，还可以在网上联结高性能计算和数据存储设备，包括一个地震工程及相关领域的试验和分析方面的诊断数据库。NEES实现了诸如土木、地震工程、结构、岩土和海啸、信息技术、计算机科学、传感器和测试仪器、可视化和实验与模拟软件等多学科领域的交叉，充分体现了现代科学技术渗透、交叉、融合的特点。我国也在积极开展这一领域的研究工作，并进行网络联机结构抗震试验。湖南大学防灾减灾省重点实验室与美国一些结构实验室进行远程协同试验的合作，在国内最先提出开展结构远程协同试验研究，并于2000年

16、开始开发基于互联网的网络平台即网络实验室。5光纤传感器及分布式应变测试技术应变测试是结构试验与检测的重要内容，通过测试结构有关部位的应变，可以了解其在荷载作用下的应力分布情况、内力情况，从而了解结构的性能和承载能力等。传统的应变测量主要是通过在试件需要测量的部位粘贴应变片，但其具有施工工艺较复杂，对应变片粘贴的操作人员技术水平要求较高，且易受试验现场环境的电磁信号、强光、温度等条件的干扰等缺点，不能提供完全准确的试验数据。新型的光纤传感器则能克服传统应变片的这些缺点，可采集到更加准确的试验数据，因此在近几年得到了广泛的关注与研究，工程应用发展迅速。与传统的传感器相比，光纤传感器具有以下独特的优

17、点7： 灵敏度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力时其光学长度就会发生变化，从而引起较大的相位变化，通过对光相位的变化进行观察，便可得到被测信号，因此光纤传感器的灵敏度极高。 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、适用于恶劣环境：光纤传感器的纤芯材料为SiO2。该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性； 可实现长距离、分布式监测：现代的大型或超大型结构，要通过传统的监测技术实现全方位的监测相当困难，而且成本较高。但是通过布

18、设具有分布式特点的光纤传感器，光纤即作为传感器又作为传输介质，可以真正实现长距离、分布式监测； 测量速度快：光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。 信息量大：被测信号以光波为载体，且光的频率极高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等优点。传统的应变测试方式都属于局部的点式测试，无法应用于庞大结构的分布式监测解决方案。分布式光纤传感技术正是基于这种要求而被提出，它是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射OTDR技术发展起来的一种新型传感技术。除了具有普通光纤传感器的特点外，其最显著的优点就是可以准

19、确地测出光纤沿线任意点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路。如果将光纤纵横交地铺设成网状，可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。到目前为止分布式光纤传感器已取得了相当大的发展，并在以下3个方面获得了突破：基于瑞利散射的分布式传感技术、基于布里渊散射的分布式传感技术、基于拉曼散射的分布式传感技术。其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此这种技术在目前受到了广泛的关注

20、与研究8。6结语计算机、网络、传感器等技术的进步使得土木工程结构试验与测试更加便捷与准确，采用新技术已经能够完成以往很难进行的大型、复杂的结构试验，进而促进土木工程结构理论不断向前发展。通过对本文介绍的几项新技术进行分析与总结，可以看出当前结构试验技术的发展趋势：1. 研究高效便捷的试验数据存储系统，使得试验数据能够在不同的时间与地点共享。2.计算机技术与结构试验的结合，促使结构试验朝着智能化的方向发展。3.系统的集成化研究，其目标是实现结构试验、检测、监测等系统的内部集成以及与泛在网络的集成。4.研究具备分布式、高精度、高适应性、接口标准化的新型传感器。目前我国在土木工程结构试验新技术的开发

21、和应用方面与国外先进水平还存在差距，改变这种局面一方面需要国家有关部门的支持，另一方面需要各科研院校和试验工作者们的共同努力。参考文献1易伟建,何庆锋,肖岩.工程结构试验数据库模型设计研究J. 湖南大学学报( 自然科学版),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

22、Chinese)2Yang Y S, Wang K J, Wang S J, et al. Networked pseudo-dynamic testing part I:database approachJ. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 2007(36):2291-2306.3杜永峰,邱志涛,李慧.大型土木工程结构的模型试验仿真J.系统仿真报,2008,20(18): 4987-4990.（Du Yongfeng, Qiu Zhitao, Li Hui. Model Test Simulation of Large Civi

23、l Engineering Structure J.Journal of System Simulation,2008,20(18):4987-4990.(in Chinese)4周金政.结构试验与检测中的若干新技术J.住宅科技,2012(12):46-51. ( Zhou Jinzheng. Several New Technologies in Structural Test and InspectionJ.Housing Science,2012(12):46-51.( in Chinese)5茹继平,肖岩.美国地震工程模拟网系统NEES计划及在我国实现远程协同结构试验的设想J.建筑结构学报,2002,23(6):91-94.(Ru jiping, Xiao yan. The USA earthquake engineering analog network system NEES plans and the ideas to realize the remote collaborativ