摘要：本文回顧了有關(guān)“智能材料結(jié)構(gòu)”在土木領(lǐng)域的最新進展，明確地涵定了“智能土木結(jié)構(gòu)”的基本概念及其發(fā)展過程，較為系統(tǒng)地闡述了構(gòu)成其理論體系的有關(guān)內(nèi)容及問題。提出了結(jié)構(gòu)智能化三水準(zhǔn)概念及智能土木結(jié)構(gòu)的分類方法，建議了今后研究的策略及幾個主要方向。
關(guān)鍵詞：智能土木結(jié)構(gòu)，智能材料，自診斷智能土木結(jié)構(gòu)，智能控制，嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)
1.引言
建筑起初是為了滿足人類生活的舒適要求和安全要求而產(chǎn)生的。原始時代的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽風(fēng)雨防侵襲的封閉空間。隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷發(fā)展，人類對建筑的要求也日益復(fù)雜和多樣化，結(jié)構(gòu)作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求?，F(xiàn)代大型建筑物如高層建筑、大跨橋梁、大型水壩、地下建筑等都要求其土木結(jié)構(gòu)能提供更高的強度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同時，在現(xiàn)代社會中，這些大型建筑物在整個國民經(jīng)濟中所發(fā)揮的作用已日益重要，這也尤其要求它們應(yīng)具有更強的防止災(zāi)害的能力。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多通過提高建筑材料的物理力學(xué)性能、采用合理的結(jié)構(gòu)形式、加強施工管理以及定期結(jié)構(gòu)評估與維護等傳統(tǒng)手段來達到并滿足這些要求。然而，這些傳統(tǒng)的手段均屬一種消極的、被動的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人們便失去了對結(jié)構(gòu)的全面控制，結(jié)構(gòu)失效、結(jié)構(gòu)災(zāi)害的發(fā)生便不以其設(shè)計者、建造者、使用者的意志為轉(zhuǎn)移了，人們對它的預(yù)測及防范工作都將是一件十分困難的事情。另外，若單純地依靠以往那種要求保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強度及延性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計理念，當(dāng)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟，又達不到預(yù)期的效果。
考察眾多建筑災(zāi)害實例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。其原因在于：
1）由于結(jié)構(gòu)抗力的衰減、正常范圍內(nèi)的損傷積累而致使的強度及可靠性的降低；
2）由于材料的老化、腐蝕及力學(xué)性能的劣化（如徐變等）而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)耐久性失效；
3）由于施工質(zhì)量和使用不當(dāng)而給結(jié)構(gòu)造成的隱患以及損害；
4）由于結(jié)構(gòu)長期遭受動荷載作用而造成的疲勞失效；
5）由于偶然的超載（如地震荷載、爆炸沖擊荷載等）造成的破壞。
以上這些原因都對結(jié)構(gòu)的強度及安全性提出傳統(tǒng)設(shè)計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測進而由結(jié)構(gòu)自身作出智能化反應(yīng)就顯得十分必要了。
2.智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀
2.1智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成
現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產(chǎn)業(yè)已實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸地進入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅(qū)動材料緊密地融合于結(jié)構(gòu)中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現(xiàn)代計算機集成于結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學(xué)、電磁等激勵和控制，使結(jié)構(gòu)不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結(jié)構(gòu)將能進行參數(shù)（如應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學(xué)反應(yīng)）的檢測及檢測數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結(jié)構(gòu)具有自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。這就是智能土木結(jié)構(gòu)概念的形成過程。
文獻將智能結(jié)構(gòu)定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱之為智能材料結(jié)構(gòu)”?？梢?，智能結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能的升華。智能結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用便稱之為智能土木結(jié)構(gòu)。
2.2研究現(xiàn)狀
如前所述，智能土木結(jié)構(gòu)概念是為了解決評估結(jié)構(gòu)強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結(jié)構(gòu)的性能進行監(jiān)測及預(yù)報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預(yù)測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術(shù)均不能對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，也不能很好地預(yù)報結(jié)構(gòu)的破損情況和進行完整性的評估。這些方法的致命缺點是預(yù)報方式是自外而內(nèi)的，從信息傳播角度看，難免會夾雜進種種干擾信息，從而使檢測結(jié)果失真、低效率，甚至?xí)?dǎo)致完全錯誤的檢測結(jié)果。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入傳感器，組成網(wǎng)絡(luò)，就可實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能，這就是智能土木結(jié)構(gòu)的自內(nèi)而外的預(yù)報方式。智能土木結(jié)構(gòu)在這些方面有很好的應(yīng)用前景，目前主要應(yīng)用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領(lǐng)域。
美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，用驗證設(shè)計中的一些假定，監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，如在佛羅里達州的SunshineSkywayBridge橋上就安裝了數(shù)百個傳感器[2].英國80年代后期開始研究和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設(shè)備。在我國，香港的LantanFixedCrossingBridge、青馬大橋，以及大陸的虎門橋、江陰長江大橋也都在施工期間裝設(shè)了傳感系統(tǒng)，用以于監(jiān)測建成后大橋的服役安全狀態(tài).1993年加拿大在Calgary建造的BeddingTrail大橋上首次成功地布置了光纖布拉格光柵傳感器，用以監(jiān)測橋梁內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)。
在其它土木工程領(lǐng)域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中也曾嘗試布置傳感器來構(gòu)建智能結(jié)構(gòu)。同樣，近年來發(fā)展起來的高性能、大規(guī)模分布式智能傳感元器件也為民用建筑及結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，對結(jié)構(gòu)的智能振動控制方面的研究已有近30年的歷史了.
關(guān)鍵詞：智能土木結(jié)構(gòu)，智能材料，自診斷智能土木結(jié)構(gòu)，智能控制，嵌入式智能土木結(jié)構(gòu)
1.引言
建筑起初是為了滿足人類生活的舒適要求和安全要求而產(chǎn)生的。原始時代的建筑物是利用天然材料制造而成的能蔽風(fēng)雨防侵襲的封閉空間。隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷發(fā)展，人類對建筑的要求也日益復(fù)雜和多樣化，結(jié)構(gòu)作為建筑的核心骨架，人們也對其提出了更高水平的要求?，F(xiàn)代大型建筑物如高層建筑、大跨橋梁、大型水壩、地下建筑等都要求其土木結(jié)構(gòu)能提供更高的強度，以及更好的可靠性、耐久性及安全性。同時，在現(xiàn)代社會中，這些大型建筑物在整個國民經(jīng)濟中所發(fā)揮的作用已日益重要，這也尤其要求它們應(yīng)具有更強的防止災(zāi)害的能力。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大多通過提高建筑材料的物理力學(xué)性能、采用合理的結(jié)構(gòu)形式、加強施工管理以及定期結(jié)構(gòu)評估與維護等傳統(tǒng)手段來達到并滿足這些要求。然而，這些傳統(tǒng)的手段均屬一種消極的、被動的方式：一旦建筑物被建成并投入使用，人們便失去了對結(jié)構(gòu)的全面控制，結(jié)構(gòu)失效、結(jié)構(gòu)災(zāi)害的發(fā)生便不以其設(shè)計者、建造者、使用者的意志為轉(zhuǎn)移了，人們對它的預(yù)測及防范工作都將是一件十分困難的事情。另外，若單純地依靠以往那種要求保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、強度及延性的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計理念，當(dāng)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境因素超越某種程度以后，就會將既不經(jīng)濟，又達不到預(yù)期的效果。
考察眾多建筑災(zāi)害實例，人們發(fā)現(xiàn)，在整個建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計壽命期內(nèi)，都有可能發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。其原因在于：
1）由于結(jié)構(gòu)抗力的衰減、正常范圍內(nèi)的損傷積累而致使的強度及可靠性的降低；
2）由于材料的老化、腐蝕及力學(xué)性能的劣化（如徐變等）而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)耐久性失效；
3）由于施工質(zhì)量和使用不當(dāng)而給結(jié)構(gòu)造成的隱患以及損害；
4）由于結(jié)構(gòu)長期遭受動荷載作用而造成的疲勞失效；
5）由于偶然的超載（如地震荷載、爆炸沖擊荷載等）造成的破壞。
以上這些原因都對結(jié)構(gòu)的強度及安全性提出傳統(tǒng)設(shè)計方法無法滿足的要求。因而，對建筑結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測進而由結(jié)構(gòu)自身作出智能化反應(yīng)就顯得十分必要了。
2.智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成及研究現(xiàn)狀
2.1智能土木結(jié)構(gòu)（IntelligentCivilStructure）概念的形成
現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展進步促使了人類社會進入了信息時代，信息材料的生產(chǎn)業(yè)已實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸地進入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、驅(qū)動材料緊密地融合于結(jié)構(gòu)中，同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現(xiàn)代計算機集成于結(jié)構(gòu)大系統(tǒng)中。通過力、熱、光、化學(xué)、電磁等激勵和控制，使結(jié)構(gòu)不僅有承受建筑荷載的能力，還具有自感知、自分析計算、自推理及自我控制的能力。具體說來，結(jié)構(gòu)將能進行參數(shù)（如應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、化學(xué)反應(yīng)）的檢測及檢測數(shù)據(jù)的傳輸，具有一定的數(shù)據(jù)實時計算處理能力，包括人工智能診斷推理，以及初步改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布、強度、剛度、形狀位置等能力，簡言之，即使結(jié)構(gòu)具有自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)的能力。這就是智能土木結(jié)構(gòu)概念的形成過程。
文獻將智能結(jié)構(gòu)定義為：“將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件（結(jié)構(gòu)）具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱之為智能材料結(jié)構(gòu)”?？梢?，智能結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能的升華。智能結(jié)構(gòu)在土木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用便稱之為智能土木結(jié)構(gòu)。
2.2研究現(xiàn)狀
如前所述，智能土木結(jié)構(gòu)概念是為了解決評估結(jié)構(gòu)強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑結(jié)構(gòu)的性能進行監(jiān)測及預(yù)報，不僅會大大減小維修費用，而且能增強預(yù)測的能力。近來出現(xiàn)的無損檢測技術(shù)均不能對結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測，也不能很好地預(yù)報結(jié)構(gòu)的破損情況和進行完整性的評估。這些方法的致命缺點是預(yù)報方式是自外而內(nèi)的，從信息傳播角度看，難免會夾雜進種種干擾信息，從而使檢測結(jié)果失真、低效率，甚至?xí)?dǎo)致完全錯誤的檢測結(jié)果。在結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋入傳感器，組成網(wǎng)絡(luò)，就可實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)的性能，這就是智能土木結(jié)構(gòu)的自內(nèi)而外的預(yù)報方式。智能土木結(jié)構(gòu)在這些方面有很好的應(yīng)用前景，目前主要應(yīng)用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領(lǐng)域。
美國80年代中后期開始在多座橋梁上布設(shè)監(jiān)測傳感器，用驗證設(shè)計中的一些假定，監(jiān)視施工質(zhì)量和服役安全狀態(tài)，如在佛羅里達州的SunshineSkywayBridge橋上就安裝了數(shù)百個傳感器[2].英國80年代后期開始研究和安裝大型橋梁的監(jiān)測儀器和設(shè)備。在我國，香港的LantanFixedCrossingBridge、青馬大橋，以及大陸的虎門橋、江陰長江大橋也都在施工期間裝設(shè)了傳感系統(tǒng)，用以于監(jiān)測建成后大橋的服役安全狀態(tài).1993年加拿大在Calgary建造的BeddingTrail大橋上首次成功地布置了光纖布拉格光柵傳感器，用以監(jiān)測橋梁內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)。
在其它土木工程領(lǐng)域，如在采油平臺、大壩、船閘等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中也曾嘗試布置傳感器來構(gòu)建智能結(jié)構(gòu)。同樣，近年來發(fā)展起來的高性能、大規(guī)模分布式智能傳感元器件也為民用建筑及結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，智能大廈在我國已如雨后春筍般地涌現(xiàn)。在民用建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，對結(jié)構(gòu)的智能振動控制方面的研究已有近30年的歷史了.