重大基础设施的材料损伤检测和结构健康监测
2015-06-23
随着全球人口的不断增长和可利用土地资源的减少,越来越多的重大交通基础设施将修建于复杂的地质、地形和水文环境下,其结构健康服役的重要性日益突出。例如,2013年美国土木工程师学会在其评估报告中指出,美国现有基础设施的整体健康状况达不到及格要求,进行健康诊断和修复的费用将高达3.6万亿美元。未来10年,我国共有34个大、中城市计划扩建、新建城市轨道交通超过1000公里,轨道交通地下结构在不同地区迥异地形条件下产生的结构劣化严重威胁其服役安全。根据《中国民用航空发展第十二个五年规划》,“十二五”期间我国民航业基础设施建设投资将达到4250亿元,建设65座民用机场,其中半数以上位于地质条件恶劣的西部山区,需挖山填筑,填方体的变形和稳定问题成为机场安全运行的重大隐患。



由此可见,设计寿命长达100年的重大工程结构在复杂、超常规服役环境下由于材料老化、环境侵蚀和荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用,将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗力衰减,其材料的损伤检测和结构的全生命周期健康监测研究是极为重要的多学科交叉基础研究领域。
针对以上问题,北航相关科研团队主要开展材料局部检测和结构整体监测两个层面的研究工作,主要研究内容包括基于超声非线性传播原理的材料细观损伤检测理论和试验技术、基于新型传感和测量技术的宏观结构健康监测理论和技术。目前,北航相关科研团队已经从细观材料尺度上深入研究岩土、混凝土等聚固材料(consolidated materials)的非线性细观弹性力学特性,从理论上探明了聚固材料损伤过程中的声学信号非线性传播机理,并在此基础上研发了新型非线性声学无损检测技术,其损伤检测灵敏度相较于传统方法提高了1~2个数量级。其次,北航相关科研团队基于无线传感器和合成孔径雷达干涉等新兴传感和测量技术,针对承德机场高填方路基结构已建立沉降和稳定的全生命周期安全评价体系及预警智能化监测平台,变被动获取结构健康状态为主动控制服役性能,实现了结构全生命周期安全服役智能服务和数字化保障。


陈军,交通科学与工程学院,副教授,卓越百人,E-mail: junchen@buaa.edu.cn

参考文献
[1] J. Chen, Z. Xu, Y. Yu, Y.P. Yao. Experimental characterization of granite damage using nonlinear ultrasonic techniques. NDT & E International,2014: 67, pp. 10-16. (SCI)