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工程结构运维诊断与提升(2021年度全国学会期刊出版能力提升计划)(特邀主编樊健生)

我国土木工程行业逐步进入集中建造向服役运维的转型期,一方面房屋建筑与基础设施等工程结构的服役安全保障需求陡增,另一方面城市更新与高质量发展产生了功能提升的内涵需求,使得工程结构运维诊断与提升成为行业焦点。

为此,在中国科协“2021年度全国学会期刊出版能力提升计划”的支持下,《建筑结构学报》在2022年第10期组织了“工程结构运维诊断与提升”专题,我有幸作为本刊的特邀主编进行约稿和组稿,以专栏的形式集中展示工程结构服役智能诊断、健康监测与加固技术等多方面的研究进展。

本期专栏刊登了8篇论文,其中4篇为综述论文,分别就结构服役安全智能诊断研究与应用、工程结构运维多场景的敏感服役指标智能识别、空间结构健康监测研究、钢结构加固技术研究等进行了系统回顾和展望,并就已有研究存在的问题进行了梳理,明确了突破方向。另外4篇为学术论文,在《预应力拉索激光非接触式动力检测与分析方法研究》《基于高斯混合模型的混凝土结构预应力分布特征及估计方法》两篇论文中提出了激光多普勒非接触式预应力拉索的动力参数识别方法以及预应力分布估计方法;在《基于分布式同步采集的赛格大厦结构动力学参数识别》一文中报道了赛格大厦振动事件应急调查的测试工作;而在《基于局部离群因子的数据异常识别方法及其在古建结构监测中的应用》一文中则提出了针对砌体结构古建的监测数据清洗与异常识别方法。

受限专刊篇幅,对专题研究的报道远不够全面,恳请广大专家、学者、工程师多提宝贵意见,共同推动工程结构运维诊断与提升领域的创新发展。

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  • 全选
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  • 工程结构运维诊断与提升
    岳清瑞, 刘晓刚, 陈洪兵
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 41-49. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0080
    土木工程行业逐步由集中建造向服役运维转型,在役基础设施的运营维护成为重点工作。目前,以人工检测、鉴定与评价为核心的在役工程结构诊断技术,在时效上难以满足大量在役工程结构服役安全诊断的巨大需求。基于标准规范的评价方法,采用指标评分和考虑指标重要性程度的综合评估和等级划分,也难以实现工程结构服役安全的科学评价。因此,发展工程结构智能诊断新理论、新方法成为必然。智能诊断从技术流程上包括服役信息感知、性态识别、性能评价、演化预测。近年来,结构服役安全诊断与智能感知技术和人工智能技术的交叉融合取得了一定成果,但就构建工程结构服役安全智能诊断体系,实现结构服役性能智能评价和预测,仍面临一系列关键问题。为此,在总结了工程结构智能诊断的发展现状的基础上,分析了当前研究的主要问题,并建议了下一步研究思路和应突破的关键问题。
  • 工程结构运维诊断与提升
    许庆, 曾滨, 徐晓达, 王晓锋
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 60-67. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0055
    为解决预应力混凝土框架结构预应力筋数量众多、有效应力不确定性强且分布不均匀、抽样检测评估无法准确表征结构有效应力整体特征等结构评价难题,引入高斯混合模型研究结构有效应力概率分布特征,并据此提出了一种概率估计方法。该方法通过MonteCarlo模拟建立预应力筋集有效应力的高斯混合模型;通过中心化、去除离散点等方式修正模型以增强其高斯特性;基于模型高斯显著性检验准则确定正态分布近似估计范围,并以此为总体样本进行抽样检测,进而估计预应力筋集实时有效应力的概率分布;以某无黏结预应力混凝土框架结构为工程实例验证了该方法有效性。研究结果表明:既有结构预应力筋集有效应力概率分布由多个均值与方差相近的子分布组成,可采用近似正态的高斯混合模型统一表征;由设计差异导致的有效应力分布不均匀性可采用中心化的数学方法进行消除,进而提升模型近似估计的准确性;既有结构施工阶段以张拉工艺为主的建造误差上限可通过模型计算结合实测值统计分析综合推定。
  • 工程结构运维诊断与提升
    罗尧治, 赵靖宇
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 16-28. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0070
    空间结构是大跨度、大空间和大面积建筑结构的主要形式,在国家基础设施与城市建设领域有广泛应用,其结构安全性至关重要。空间结构健康监测通过传感技术准确获取结构响应,实时反映结构的性能状态,为空间结构施工、运营与管理决策提供科学的依据与指导。经过多年的研究和工程实践,已经发展了适合大型空间结构的物联网无线传感监测技术,建立了多维数据分析理论,并在国家体育场、国家速滑馆、北京大兴国际机场航站楼等重大工程中实现规模化应用,取得了阶段性研究进展。通过对空间结构健康监测的研究及应用现状进行系统总结,疏理空间结构健康监测的特点,围绕荷载与响应多维传感及大面域传输网络综述了其传感监测技术的研究现状,归纳了结构荷载分析、响应分析以及结构状态评估的监测数据分析理论。同时,基于融合大数据、云计算以及人工智能展望其未来研究方向,旨在进一步推动空间结构健康监测的创新与发展。
  • 工程结构运维诊断与提升
    王元清, 宗亮, 石永久, 黎红兵, 梁爽, 完海鹰
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 29-40. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0095
    钢结构加固不仅有利于保证在役钢结构安全,而且符合可持续发展理念,对于科学实施“城市更新”、促进“双碳”目标达成具有积极意义。为此,针对钢结构构件,梳理了焊接加固、螺栓和铆钉连接加固、粘贴钢板加固、粘贴纤维增强复合材及组合加固法等5种增大截面加固法和构件预应力加固法;针对连接与节点,重点阐述了栓焊并用连接、梁柱节点、螺栓球和焊接球节点、钢管节点等加固研究进展;并概述了钢结构体系间接加固法及钢结构修复技术。在此基础上,介绍了GB 51367—2019《钢结构加固设计标准》的代表性加固技术,并指出未来应进一步对传统加固技术定量化设计、节点加固技术与设计理论、CFRP加固理论、新材料、新技术的应用和结构体系加固机理等方面开展深入研究工作。
  • 工程结构运维诊断与提升
    胡卫华, 唐德徽, 李俊燕, 徐增茂, 王宇超, 卢 伟, 李祚华, 滕 军
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 76-84. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0050
    在大型复杂工程结构上进行现场模态测试时,由于结构规模体量大并存在空间隔断,导致数据采集设备与传感器之间快速布设数据传输线困难。因此,有必要解决不同位置分布式同步采集设备时间精确同步问题,研发易于快速安装的分布式数据采集和无线传输设备。为此,提出基于“北斗”卫星授时的结构振动分布式同步采集算法,集成分布式同步采集硬件与研发数据在线采集和无线传输软件,获取大型复杂工程结构不同空间位置时间同步动态响应,基于随机子空间算法自[JP2]动识别工程结构服役状态下真实的模态参数。在赛格大厦振动事件溯源工作中,该系统成功捕捉到5月20日12:00—13:00[JP]结构共振时第69层与桅杆底部的加速度响应,发现四次共振均以频率2.12 Hz振动主导。基于该系统在环境激励条件下的现场模态测试,识别结构前19阶动力学参数,发现频率2.12 Hz是主体结构弯扭耦合和桅杆面内对称振动模态。基于现场激振测试识别频率2.12 Hz对应的阻尼比,发现阻尼比随着振幅的增加突然减小然后逐步增加,较低的阻尼比是导致赛格大厦发生共振的原因之一。
  • 工程结构运维诊断与提升
    杨娜, 付颖煜, 李天昊
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 68-75. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0046
    基于结构健康监测,深入挖掘监测数据信息是获取古建筑结构健康状态,是保证其耐久性与安全性的重要手段。为精准开展数据分析与结构安全评估工作,区分硬件异常、人为扰动或环境突变两类数据异常成因,分别定义两类砌体结构古建筑监测数据异常。结合砌体结构古建筑监测数据长期静态缓变的特性,提出基于密度的改进离群点识别算法以提高监测数据清洗的质量。通过对时间序列数据的压缩分割,以及子时间序列数据的转化,实现精准拾取数据中的局部离群点。经定性定量分析,基于局部离群密度的改进离群点识别算法对于识别砌体结构古建筑监测数据局部离群点的准确度高、效率高,能够解决现有数据离群点识别算法不适用于砌体结构古建筑监测数据的问题。
  • 工程结构运维诊断与提升
    曾滨, 许庆, 徐曼
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 50-59. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0039
    为解决预应力拉索在役检测技术复杂、效率低、准确性难评价等问题,研究激光非接触式测试技术在拉索动力检测中的适用性,给出考虑结构动力特征和设备研发经济性的测试关键参数建议取值,建立基于多阶频率关系与多种算法对比的综合自验证分析方法,并以某网壳拉索和某索膜结构拉索为工程实例,研究激光动力检测与分析方法在实际工程的应用效果。结果表明:激光测试关键参数的建议值能够保证测试获得数据有效,可用于准确分析拉索的动力特征;工程案例中,同一测点激光与加速度的频率分析结果相对误差不超过1%,一致性较好,且在部分工况下,激光测试可以获得更完整的低阶频率;短距离或有信号增强的条件下,激光测试信号较好,可以通过时频转化快速提取频率;在远距离且无信号增强的条件下,测试数据的信噪比低,采用综合自验证分析方法可以有效提取频率,相比单一算法优势明显;拉索动力检测与分析方法满足便捷、高效的工程化要求。
  • 工程结构运维诊断与提升
    刘宇飞, 齐玉, 李保罗, 冯楚乔, 丁一凡, 聂鑫, 樊健生
    建筑结构学报. 2022, 43(10): 1-15. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2022.0075
    随着我国土木工程行业由建造向运维逐渐转型,工程结构服役安全保障需求陡增,提质增效的结构智能诊断方法成为研究热点。结构服役性态指标是表征工程结构安全水平的要素,是工程结构诊断养护技术体系以及结构健康监测研究的基础,判断结构服役性态的敏感指标并进一步实现指标的智能识别是工程结构诊断智能化的首要任务。为此,围绕工程结构运维公共建筑、地铁隧道、公路桥梁、公路路面等多个场景中的敏感服役指标的智能识别开展综述研究;梳理关键敏感指标,进一步对指标的智能化识别方法进行归纳总结。结果表明,以深度学习为代表的新一代人工智能技术有效推动了结构服役敏感指标的感知识别研究与应用,其中数字图像方法与深度学习算法在工程结构变形、表面病害智能识别中取得了良好的效果,展现了全面的应用优势。