智能混凝土在结构健康监测中的应用进展

基金项目：本文系2023年江苏省职业院校学生创新创业培育计划项目“基于自感知混合物混凝土材料的桥梁结构健康监测系统研究”（G-2023-0370）研究成果；江苏工程职业技术学院2022年度教学改革研究课题“课程思政视域下建筑工程类专业教师和辅导员协同育人机制的探索与研究”（GYJY202205）研究成果；江苏工程职业技术学院2022年度校级科研立项项目思政专项“党建引领下建筑类高职专业课程与思政教育协同育人研究"（GYKY/2022/10）研究成果。

摘要：混凝土作为建筑和土木工程中最常用的材料之一，其结构健康直接关系到建筑物的安全和持久性，随着科技的进步，智能混凝土作为一种新型的建筑材料，通过集成传感器、数据处理和人工智能等技术，实现对混凝土结构健康状况的实时监测和评估。本文综述了智能混凝土在结构健康监测中的最新应用进展，包括压电陶瓷传感器、人工智能算法以及复合材料的应用，探讨了其在桥梁、建筑、隧道等工程结构中的应用前景和挑战。

关键词：智能混凝土；结构健康监测；压电陶瓷；人工智能；复合材料

引言：混凝土结构在建筑工程中广泛应用，但其长期受到环境、荷载和使用等多种因素的影响，容易产生裂缝、腐蚀和变形等问题，导致力学性能下降，威胁建筑物的安全和可持续发展。因此对混凝土结构的健康监测显得尤为重要，智能混凝土技术通过将传感器、数据处理和人工智能等技术集成到混凝土材料中，实现对结构健康状况的实时监测和评估，成为当前研究的热点。

一、智能混凝土结构健康监测技术概述

智能混凝土结构健康监测技术是指利用先进的传感技术对混凝土结构进行实时监测、诊断和预警，以实现对结构损伤、裂缝、变形等状况的有效控制和管理，这种技术通过在混凝土结构中嵌入传感器，实时采集结构的温度、湿度、应变、振动等数据，并通过数据分析和处理，实现对结构健康状况的评估和预测【1】。

（一）传感器技术

传感器是智能混凝土结构健康监测的核心，通过传感器采集混凝土结构的各种参数数据，传统的传感器需要大量的人力和物力进行安装和维护，成本高且数据量少，近年来，无线传感器网络（WSN）和智能传感器的发展，使得混凝土结构的实时监测变得更加高效和准确。

1.压电陶瓷传感器

压电陶瓷是一种能够将机械应力转换成电信号的陶瓷材料，当压电陶瓷受到外力的作用时，会产生细微的电荷变化，通过连接的测量仪器可以读取这些变化，利用这种材料的特性，可以制成多种类型的传感器，在混凝土结构中压电陶瓷主要用于测量结构的应变和振动等参数，实现对结构健康状况的实时监测。

2.智能骨料

智能骨料是将传感器集成到混凝土材料中的一种新型传感器，基于压电陶瓷的智能骨料通过埋入混凝土结构中，可以实时监测结构的裂缝和损伤情况，研究表明，利用压电陶瓷智能骨料进行裂缝监测时，当裂缝出现时传感器接收到的小波包能量会大幅下降，损伤指标上升，从而实现对裂缝的有效监测。

（二）数据处理与分析

混凝土结构健康监测中的数据量大、噪声多、特征复杂，需要对采集的数据进行预处理、特征提取等操作，人工智能技术可以通过信号处理算法对采集的数据进行滤波、降噪、分解等操作，提取出有效的特征信息【2】。

1.信号处理与特征提取

常用的信号处理算法包括小波变换、时频分析、自适应滤波等，特征提取是将原始信号转换为能够反映混凝土结构健康状况的特征参数，常用的特征提取算法包括小波包、时序分析、频域分析等，这些算法的应用可以实现对混凝土结构健康状况的实时监测和评估。

2.模型建立与预测分析

混凝土结构健康监测的最终目的是预测混凝土结构的健康状况，人工智能技术可以通过机器学习、神经网络、支持向量机等算法实现对混凝土结构健康状况的预测，机器学习算法可以通过对已有数据的学习，建立混凝土结构健康状况预测模型，并通过该模型对未来的状况进行预测，神经网络算法可以模拟人脑神经元的工作方式，实现对混凝土结构健康状况的预测，支持向量机算法可以通过核函数将数据映射到高维空间，实现对混凝土结构健康状况的预测。

二、智能混凝土在结构健康监测中的应用

智能混凝土在结构健康监测中的应用主要体现在桥梁、建筑、隧道等工程结构中，通过实时监测和评估结构的健康状况，实现对结构损伤、裂缝、变形等问题的及时发现和预警。

（一）桥梁结构健康监测

桥梁是连接交通的重要设施，其结构健康状况直接关系到交通安全，智能混凝土技术在桥梁结构健康监测中的应用，可以实现对桥梁结构应变、振动、裂缝等参数的实时监测，及时发现结构的损伤和变形。

1.应变监测

通过在桥梁结构中嵌入压电陶瓷传感器，可以实时测量结构的应变情况，了解结构的受力状态，当桥梁受到外加载荷时，会产生拉、压、剪等力的作用，这些力对结构的应变产生影响，通过监测应变数据，可以判断桥梁结构是否存在裂缝、变形等问题，及时采取措施进行修复。

2.振动监测

桥梁在风、地震或车辆行走等外界震动的作用下会发生振动，通过布置压电陶瓷传感器，可以测量桥梁结构的振动参数，从而了解结构的振动情况，预测结构的损伤和缺陷。

（二）建筑结构健康监测

建筑结构的安全直接关系到人们的生命财产安全，智能混凝土技术在建筑结构健康监测中的应用，可以实现对建筑结构的实时监测和评估，及时发现结构中的裂缝和损伤，提高建筑的安全性【3】。

1.裂缝监测

建筑结构在使用过程中，由于自然老化、温度变化、潮湿等因素的影响，会产生各种裂缝，通过布置压电陶瓷传感器，可以测量结构中各个位置的应变情况，从而发现可能存在的裂缝，及时进行修补和维护。

2.变形监测

建筑结构在外加载荷的作用下会产生变形，变形过大会影响结构的安全性和稳定性，通过监测结构的变形数据，可以判断结构的受力状态，及时发现结构的变形问题，采取措施进行加固和修复。

（三）隧道结构健康监测

隧道作为地下交通设施，其结构健康状况直接关系到交通的安全和畅通，智能混凝土技术在隧道结构健康监测中的应用，可以实现对隧道结构应变、振动、裂缝等参数的实时监测，及时发现结构的损伤和变形。

1.裂缝监测

隧道结构在使用过程中，由于地质条件、地下水等因素的影响，容易产生裂缝，通过布置压电陶瓷传感器，可以实时监测隧道结构的裂缝情况，及时发现裂缝并进行修复，防止裂缝扩展导致结构破坏。

2.振动监测

隧道在地铁列车运行、地震等外界震动的作用下会发生振动，通过监测隧道的振动参数，可以了解结构的振动情况，预测结构的损伤和缺陷，及时采取措施进行加固和维护。

三、智能混凝土结构健康监测的挑战与展望

智能混凝土在结构健康监测中的应用虽然取得了显著的进展，但仍面临一些挑战，需要进一步研究和改进。

1.传感器布置与优化

在混凝土结构中嵌入传感器的位置和数量是影响监测效果的关键因素，传感器布置过少可能导致无法检测到结构中的问题，而布置过多则会增加成本和复杂性，因此需要研究传感器布置的优化方法，以提高监测的准确性和效率。

2.数据处理与分析技术

混凝土结构健康监测中的数据量大、噪声多、特征复杂，需要高效的数据处理和分析技术，人工智能技术的发展为数据处理和分析提供了新的手段，但仍需要进一步研究和改进，以提高数据处理的准确性和效率。

3.复合材料的应用

复合材料如FRP（Fiber Reinforced Polymer）具有高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，可以作为钢筋混凝土结构的替代材料，通过将压电陶瓷传感器集成到复合材料中，可以实现对复合材料结构健康状况的实时监测，未来可以进一步研究复合材料在智能混凝土结构健康监测中的应用，提高结构的耐久性和安全性。

4.多传感器融合与集成

智能混凝土结构健康监测需要多种传感器的协同工作，如应变传感器、振动传感器、温度传感器等，如何将多种传感器融合和集成在一起，实现数据的互补和共享，是当前研究的重要方向。

四、结论

智能混凝土技术通过将传感器、数据处理和人工智能等技术集成到混凝土材料中，实现对混凝土结构健康状况的实时监测和评估，为工程结构的安全和可持续发展提供了重要的技术支持。本文综述了智能混凝土在结构健康监测中的最新应用进展，包括压电陶瓷传感器、人工智能算法以及复合材料的应用，探讨了其在桥梁、建筑、隧道等工程结构中的应用前景和挑战，随着技术的不断发展和进步，智能混凝土在结构健康监测中的应用将更加广泛和深入，为工程结构的安全和可靠性提供更有力的保障。

参考文献：

[1] 尹磊建，谢福星，赵光思.基于ERT的智能混凝土场域监测仿真研究[J].建井技术， 2024， 45（3）：74-80.

[2] 白利剑.装配式混凝土建筑智能化结构应用研究[J].智能建筑与智慧城市， 2024（4）：128-130.

[3] 李俊杰，张浩，康飞，等.一种实时监测和评估混凝土裂缝修补效果的方法.CN202011564100.9[2024-12-06].