土木工程智能结构体系的研究

冉启丹

【摘要】随着现代社会科技的发展，土木工程结构的发展也越来越智能化，智能结构是将传统的生产方式与信息技术、材料技术等新技术进行结合，促进土木工程结构强度、安全性、耐久性的发展，使建筑结构的功能从根本上得到了扩展，满足了人们对于建筑空间安全性的需求。针对土木工程智能结构体系的发展，研究土工工程智能结构体系，并对土木工程智能结构体系未来的发展方向提出了相应的建议。

【关键词】土木工程；智能结构；控制体系；应用分析

近年来，由于我国土木工程结构的不合理导致安全事故频发，尤其是遭遇到地震灾害时，土木工程结构的稳定性欠缺严重的威胁了人们的生命财产安全，所以需要加强对土木工程智能结构体系的研究，把土木工程各项功能的被动控制逐渐转变为主动控制。土木工程的结构使用期限一般都可以达到几十年甚至上百年，但是因为结构长时间的负载，材料不断的老化、腐蚀使结构的抗力逐渐的衰减，并且结构中存在的损伤也会不断的扩大，影响结构安全性。智能结构体系是指利用信息技术和材料技术等对建筑结构的内部信息进行传递，当结构中某一部分出现问题时，会自动下达命令进行自行处理，实现建筑结构减震目的，保证结构安全性和稳定性。

一、土木工程智能结构体系的概念和研究现状

土木工程智能结构体系是一种仿生结构体系，让土木结构更加的智能化，土木工程智能结构体系的发展是因为人们对建筑结构的要求不断的提高。土木工程智能结构体系中包括主结构、传感器、控制器等等，土木工程智能结构中还使用了具备仿生功能的智能材料。该结构体系的环境适应能力非常强，可以对结构内部情况进行监控，并对结构内部的损伤问题进行自我修复，避免危险突发时，结构自身受到破坏。土木工程智能结构使工程的安全性和稳定性得到了保证，使土木工程的维修费用大大降低了，并且具备了预测结构危险状况的能力。智能机构体系的主要原理就是在原本的土木结构中植入的传感系统，对结构性能进行实时监测。

二、土木工程智能结构体系的组成和应用

（一）智能结构体系中控制元件的组成

土木工程智能结构体系的控制系统主要由信号处理器、传感器和控制器等几种元件组成，而且整个智能控制系统全部按照仿生学的原理进行，它可以对即将发生的安全隐患进行仿生模拟，并分析此次安全隐患对建筑结构造成的影响，积极的做出相应的结构调整。例如传感器在发现结构存在安全隐患时，会对安全隐患的相关信息进行传递，控制器接收到信息后对土木工程结构进行调整，避免结构受到影响，最终达到智能处理安全隐患的目的。智能结构体系的应用使土木工程的维修和设计都受到了极大的影响。

（二）智能材料的应用

土木工程智能结构不光使用的传感器，还应用了大量的高性能感知材料，例如光导纤维、电阻应变丝、疲劳寿命丝、压电材料、半导体材料等等，利用高性能的感知材料来制作长传感器，可以让传感器的感知性能更强；在土木工程智能结构的控制装置上应用了大量的智能驱动材料，例如形状记忆材料、磁致伸缩材料、可收缩膨胀聚合胶体等等，利用智能驱动材料可以更好的实现土木结构的主动控制，并对土木结构进行减震调节；自我修复材料在土木工程智能结构中的应用可以让土木结构的裂缝和损伤进行自我修复，例如在土木工程的钼钢结构中添加二氧化锆微利，当结构中出现裂缝时，钼钢中的二氧化锆粒子就会产生相变，对裂缝损伤进行阻止，并且混凝土中的聚丙烯纤维会对裂缝进行填充和修复，变相的对于土木结构进行补强修复，也有另一种修复方法，就是在土木结构中预埋感知元件和修复驱动，在发现结构存在缺陷或者损伤时，感知元件会发出修复信号，修复驱动会对结构进行永久性修复，保证结构安全性。

（三）土木结构损伤的智能检测

土木结构的智能检测大多应用超声波检测、X光检测等无损检测技术，对土木工程结构的智能检测能够及时的发现建筑结构中的损伤情况，使人们可以更加准确的了解建筑结构的具体情况，保证建筑结构规划的及时性，采取有效的预防措施来避免危险的发生。土木结构的智能检测会对建筑结构的相关参数进行识别，并对损伤位置进行评级和定位，确定具体的损伤位置之后，智能检测系统开始建立结构模型，并对模型损伤进行修复，确定具体的修复方法，保证土木工程结构损伤修复的可靠性。

三、土木工程智能结构未来的发展方向

（一）智能传感技术的有效提高

在土木工程智能结构体系中，智能传感技术是最为核心的技术，智能传感技术的实现主要得益于传感元件的特殊功能，传感元件的应用为土木工程智能结构体系很多环节的具体实施提供了很重要的帮助，但是智能传感能力与传感元件的大小尺寸没有任何的关系，而且智能传感材料的抗干扰能力非常强，可以与其它任何的材料进行互溶，在智能结构体系中具有非常重要的作用。想要提高智能传感技术，就要结合电磁学和仿真学等相关的学科，使传感器的传感性能有所提高。

（二）智能驱动技术的提高

在土木工程智能结构体系中最重要的就是对土木结构中存在的损伤进行自行修复，自行修复需要使用的主要技术就是智能驱动技术，所以智能驱动技术就是普通建筑结构体系与智能建筑结构体系的区别。想要提升智能驱动技术就要对自适应计算能力进行提升，方便对结构阻尼、摩擦系数以及电磁场的改变，在对智能驱动技术进行提升时，要注意结构材料本身要具备较大的弹性模量和抗冲击性，智能材料的响应速度也要快。保证在驱动过程中，材料结构能够更加容易受控。

（三）提高信息处理和传输速度

信息处理和传输是土木工程智能结构体系中主要的辅助系统，在该模块中信息处理器和传导器占据了绝大部分的功能，它可以将土木结构的受损信息及时准确的传递到控制系统中，进行智能修复。现有的信息处理和传输速度因为受到计算过程和数据线路的限制，所以在数据的处理和传输方面会存在一定的迟缓，想要提高信息处理传输速度需要将处理器和传导器的功能糅合在一起，减少了数据处理和传导的过程，进行同步处理。

（四）智能集成控制技术的发展

土木智能结构体系想要更好的提升就要促进智能集成控制技术的发展，它可以将智能结构中所有的智能元件进行集成化处理，并实现优化控制，使智能结构中的所有元件全部处于半闭合的状态，随时准备对各类隐患因素进行分析，智能集成控制技术的应用会使智能结构体系的可变性增强，并解决了控制稳定性问题，避免各类智能元件突然启动造成的结构不稳，使智能结构体系的运行可以更加流畅。

结论：

智能材料以及各种智能系统的发展，为土木工程智能结构体系的提升奠定了坚实的基础，同时也为土木工程智能结构体系的发展提供了良好的契机，目前我国智能结构体系已经有了很大的发展，所以要积极的推广土木工程智能结构体系的应用，促进土木工程的智能化发展。

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