工程结构运维多场景的敏感服役指标智能识别

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。     

Research and application progress of intelligent diagnosis for structural service safety

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。     

结构服役安全智能诊断研究与应用进展

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。     

人工智能时代混凝土结构耐久性诊断研究进展

受服役环境的影响，混凝土结构普遍存在性能劣化严重、耐久性不足等问题。对在役混凝土结构进行诊断，准确识别混凝土结构损伤特征，高效评估其服役寿命，已成为保障混凝土结构服役安全的重大需求。以人工检测、传感器监测为主的诊断方法效率低下、准确性较差，难以满足实际工程结构服役安全科学诊断的要求。人工智能可为各领域研究与应用提供创新驱动力，与混凝土结构耐久性诊断技术深度融合，为混凝土结构全寿命周期的智慧运维提供新的方法。通过分析传统混凝土结构耐久性诊断技术的不足与人工智能技术的优势，从混凝土结构耐久性损伤智能感知、耐久性演化智能预测和耐久性状态智能评估等三个方面总结了人工智能在混凝土结构耐久性诊断中的应用。结果显示：人工智能技术为混凝土耐久性损伤检测与监测提供了新思路，结合传统混凝土材料损伤劣化理论，形成混凝土耐久性劣化进程与服役寿命智能预测方法，建立混凝土结构耐久性智能诊断体系，将是未来结构工程领域的重要发展方向。     

基于深度学习的公路隧道表观病害智能识别研究现状与展望

公路隧道服役过程中会产生诸多衬砌病害,其会影响隧道的结构耐久性与运营安全性,对隧道表观病害进行高效智能化识别至关重要。常用的人工巡检方式效率低下且准确率低,而基于深度学习算法进行表观病害智能识别能提高检测的效率和准确性,相较于传统方法而言在实际隧道工程中具有更好的应用前景。利用深度学习可以学习隧道病害的特征信息,有利于未来隧道病害识别智能化的发展。简述深度学习在隧道表观病害识别中的应用原理,从人工拍照方法、数字图像采集和激光扫描技术三方面介绍病害图像的采集,从标注软件和数据增强方法总结数据集的构建和扩充方法,在图像分类、目标检测、语义分割三方面总结深度学习算法在隧道病害检测的应用现状,归纳当前应用的不足之处,最后分析与展望深度学习在隧道表观病害智能化识别方向广泛应用需要研究的问题与方向。     

在役桥梁检测、健康监测技术现状与时空融合诊断体系研究

简要评述了在役桥梁检测与健康监测技术的现状与存在的问题,讨论了以数字图像为代表的外观检查以及无损检测、健康监测与数字孪生等技术的发展,并介绍了桥梁结构检测监测的融合式服役运维思路;进一步提出了外观检查、无损检测与健康监测时空融合的桥梁结构性态感知识别体系以及以数字孪生为核心的评价预测体系,该体系具有结构服役性态空间与时间同时覆盖的特征,并能够在关键指标上达到足够的检测深度.主要结论包括:健康监测系统可大幅减少针对局部损伤识别的传感器数量;外观检查应逐步实现桥梁结构表观的遍检、全检;索力等典型监测指标可转化为定期检测指标;通过计算机辅助、人工智能等手段搭建的数字孪生系统可服务于桥梁诊断中的结构评价、预测问题.     

建筑结构安全智能化监测研究现状及展望

建筑结构破坏导致的工程事故往往可能造成巨大的人员伤亡和财产损失,为预防事故发生减少危害,对建筑结构的安全监测以及评定工作十分必要。本文主要从传感技术、数据传输和结构安全诊断与评定等方面对国内外智能化结构安全监测方法相关研究进行了总结。传感技术方面,智能材料传感器的发展及新型测量技术的应用使数据测量更准确、更高效,并促进了智能结构的发展。数据传输方面,物联网技术与"5G技术"的快速发展将为结构安全监测的发展提供极大支撑。结构安全诊断与评估方面,不同智能算法的引入进一步提升了结构安全监测的有效性和可靠性并简化了监测过程。总体而言,智能化正在成为结构安全监测技术的重要发展方向。     

公共建筑智能运维价值评价体系研究

为了促进智能化系统的正常运行以及智能运维的健康发展,对智能设施的运行、管理和应用效果进行评价显得尤为重要.基于智能运维市场的现状及智能建筑系统的特点,从系统智能化水平、管理智能化水平和智能运维效益3个维度构建了公共建筑智能运维管理价值评价指标体系,提出了层次分析法与专家经验相结合的评价方法,确定了各级指标的组合权重,实现了对公共建筑智能运维价值的系统性评价,以期为公共建筑智能运维管理模式的改进和运维管理水平的提高提供理论基础.     

基于“BIM+”的桥梁智慧运维系统研究

针对传统桥梁运维管理中监/检测实时性差、"服役"状态评估难、运维管理成本高等问题,提出了"集成应用BIM、物联网、大数据等技术,大力提升桥梁智能化运维水平"的解决思路,从实时"体检"、智能巡检、科学评估3个维度探寻桥梁智慧运维中"BIM+"技术的应用点,分析了"数字化模型与信息技术相结合"优势,为智慧桥梁运维系统的构建发展提供参考。     

State-of-the-art and prospect of intelligent science and technology in civil engineering

人工智能为土木工程学科和行业带来了新的发展机遇，土木工程智能科学技术的发展和创新与智能材料、3D打印、大数据、物联网、智能计算、机器人、元宇宙等数学、计算机科学和新兴产业技术进行深度融合，将深刻变革土木工程全寿期，包括城市规划、建筑设计、结构设计、工程建造、服役运维、防灾减灾等阶段。为此，从智能材料、智能设计、智能建造、智能运维、智能防灾等多个维度，总结当前土木工程智能科学与技术的研究现状，提出物理机器学习(基于数据范式与物理定律有机融合)的土木工程智能科学与技术特征；同时，探讨虚拟科学家在创造崭新土木工程智能科学与技术的前景。最后，展望了土木工程智能科学与技术发展目标，即从基于现有知识体系建立纯数据驱动和物理机器学习土木工程智能理论，到发展出具有自学习能力的智能体及其理论体系，最终创造出具有自我进化能力的虚拟科学家，发现新的数学方法与物理定律等。     

往复荷载作用下配置摩擦型阻尼器钢木混合剪力墙抗侧力性能研究

为研究配置摩擦型阻尼器钢木混合剪力墙的抗侧力性能,首先以4个摩擦型阻尼器研究了阻尼器的静力和动力特性,摩擦型阻尼器由高强螺栓穿过内、外钢板组成,钢板间夹有摩擦材料,包括无石棉有机材料NAO-780和聚四氟乙烯PTFE两种,内钢板设有长圆孔。当阻尼器激发,内、外钢板开始相对滑动耗能,当高强螺栓抵住长圆孔端部,则阻尼器锁定。阻尼器试验结果表明:阻尼器激发力与高强螺栓扭矩成线性正相关。摩擦材料NAO-780在不同加载幅值和频率下摩擦性能稳定。进而,将所研发的摩擦型阻尼器引入钢木混合剪力墙中,通过往复加载试验研究了钢木混合剪力墙的抗侧力性能。试验结果表明:阻尼器激发力越大,试件初始刚度越高,但木剪力墙损伤更严重;阻尼器内钢板长圆孔长度越长,木剪力墙可得到更多保护,但阻尼器锁定推迟,钢框架侧向变形增大。合理设置阻尼器激发力和阻尼器内钢板长圆孔长度可减小钢木混合剪力墙在地震作用下的损伤,使其在大侧移下仍有充足的抗侧能力储备,提高其抗震性能。     

Load-sharing mechanism in timber-steel hybrid shear wall systems

The lateral performance of timber-steel hybrid shear wall systems with regard to the interaction between the steel frame and the infill wood shear wall was investigated in this paper. A numerical model for the timber-steel hybrid shear wall system was developed and verified against test results. Design parameters, such as the lateral infill-to-frame stiffness ratio and the arrangements of wood-steel bolted connections were studied using the numerical model. Some design recommendations were also proposed based on the parametric analysis. In the hybrid shear wall system, the infill wood wall was found to resist a major part of the lateral load within relatively small wall drifts, and then the steel frame provided more lateral resistance. Under seismic loads, the infill wood wall could significantly reduce the inter-story drift of the hybrid system, and a complementary effect between the infill wood wall and the steel frame was observed through different lateral load resisting mechanisms, which provided robustness to the hybrid shear wall systems.     

基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器受力性能与试验研究

为提高建筑结构抗震韧性,实现震时响应可控,震后易修复的性能目标,提出一种基于高强钢碟簧和复合摩擦材料的自复位消能减震阻尼器,给出一种基本构造方案,分析阻尼器不同阶段的工作原理,理论推导滞回曲线及各阶段刚度、承载力计算公式。通过多次往复加载试验,对碟簧和摩擦片的基本性能,以及多次地震作用下阻尼器的滞回性能和低周疲劳性能进行了考察。试验结果表明,高强钢碟簧性能稳定,复合摩擦材料耗能能力优异;基于两者组合的自复位消能减震阻尼器具有良好的可调节刚度、承载力以及优异的自复位性能;阻尼器滞回耗能稳定,可实现震后功能恢复,低周疲劳性能好。提出的阻尼器工作过程中各阶段刚度及承载力计算公式与试验结果吻合较好,可为工程设计提供参考。     

自复位钢木混合剪力墙：抗侧力性能试验研究与自复位机理参数分析

该文提出一种新型自复位钢木混合剪力墙体系,其由自复位钢框架、轻型木剪力墙及滑动摩擦型阻尼器组成。通过往复加载试验研究了自复位钢木混合剪力墙体系的抗侧力性能、破坏模式、剪力在钢框架与木剪力墙中的分配规律以及钢绞线内力变化规律。在此基础上,基于OpenSEES平台建立了自复位钢木混合剪力墙的数值模型,并通过试验数据验证了模型的准确性。利用该数值模型进行体系关键参数分析,研究了不同参数设置下自复位钢木混合剪力墙的自复位性能。分析参数选为阻尼器激发力水平及体系初始预应力水平。结果表明：自复位钢木混合剪力墙体系的滞回曲线呈“旗帜型”,自复位性能良好,大位移下阻尼器锁定可带来体系强度与刚度的二次提升;试验中,阻尼器长圆孔设置较长可有效减轻木剪力墙中损伤。参数分析结果显示,阻尼器激发力水平的提高会降低体系的自复位性能,相同阻尼器激发力水平下,体系初始预应力水平的提高不会持续提高体系的自复位性能;根据参数分析结果,给出了自复位钢木混合剪力墙体系中阻尼器激发力与体系初始预应力水平选取的建议公式。     

高性能耐火钢高强度螺栓接头高温受剪性能试验研究

为促进高性能耐火钢材设计理论发展与工程应用,对采用不同型号高强度螺栓的10个高强度螺栓连接接头进行了不同温度条件下的受剪试验,其中包含4个采用普通高强度螺栓的连接接头以及6个采用BFRW10耐火高强度螺栓的连接接头,连接板均采用WGJ高性能耐火钢.试验研究了常温下螺栓接头的摩擦面抗滑移系数、不同温度下螺栓接头的荷载-位...     

Self‐centering steel–timber hybrid shear wall with slip friction dampers: Theoretical analysis and experimental investigation

An innovative self‐centering steel–timber hybrid shear wall (SC‐STHSW) system is proposed as a promising structural solution for earthquake‐resilient buildings. The SC‐STHSW is composed of posttensioned (PT) steel rocking frame and infill light‐frame wood shear wall. The PT steel frame provides self‐centering capability, whereas the infill wood shear wall improves the lateral stiffness and the load resistance. Meanwhile, friction dampers are assembled into the connections between the steel frame and the infill wall to provide energy dissipation. Theoretical analysis and cyclic loading test were conducted to comprehend the load‐resisting behavior of the proposed SC‐STHSW system, and closed‐form solutions of the moment, shear, and axial force distribution along the length of the steel beam were formulated. Moreover, a nonlinear finite element model was developed, and the model was further used to verify the derived theoretical formulas. Results showed that the SC‐STHSW system was able to undergo large interstory drift without the development of plastic zones in the steel frame members, which resulted in very small residual deformation. The presented experimental and numerical results aim to provide a practical structural solution for high‐performance earthquake‐resilient buildings.     

Seismic analysis of benchmark building installed with friction dampers

The 20-storey steel building has been declared as seismically excited benchmark building by structural control community to compare various control strategy, such as active, passive, semi-active and combination thereof. In this study, dynamic behaviour of the benchmark building installed with friction damper is investigated. For evaluation of structural responses, the seismic excitations considered are El Cento, Hachinohe, Northridge and Kobe. The friction damper with numerical rectangular ideal elasto-plastic hysteretic model is proposed to be used for the analysis. The effectiveness of friction dampers for reduction of responses namely, displacement, acceleration, base shear and performance criteria stipulated in the benchmark problem is investigated. Since, the activation of friction damper depends on slip force, a parametric study is also conducted to investigate the optimum slip force of the dampers, which yield the minimum responses. Further, optimal placement of dampers, rather than providing the dampers at all the floor levels is also studied, to minimise the cost of the dampers. Numerical study is also carried out by varying the slip force of dampers along the height of the benchmark building. Results show that for appropriate slip force and optimum location number, friction dampers installed in benchmark building can effectively reduce earthquake-induced responses.     

正交胶合木墙与楼面钢梁预应力螺栓连接的抗滑移性能

正交胶合木(cross-laminated timber,CLT)-钢混合结构中,CLT剪力墙的抗侧能力主要取决于墙体与下部构件的抗剪连接.目前,角钢式抗剪连接件是工程中的主要连接形式,该类CLT墙体抗侧时,破坏往往集中在抗剪节点域,而CLT墙体受力并不大.为充分发挥CLT强度和刚度较大的优势,本文探索CLT墙与其下楼...     

全加劲两侧开缝钢板剪力墙弹性屈曲研究

采用有限元方法对全加劲两侧开缝钢板剪力墙在面内水平荷载作用下的弹性屈曲临界荷载、屈曲模态进行了研究。对影响其弹性屈曲性能的参数进行了分析,包括两侧和中部加劲肋与墙板的刚度比、两侧和中部加劲肋宽厚比以及墙板高厚比和边长比。给出了全加劲两侧开缝钢板剪力墙加劲肋的弹性屈曲设计参考公式,为开缝钢板剪力墙的应用提供依据。     

高轴压比下内置钢板高强混凝土组合剪力墙#br# 抗震性能试验研究

内置钢板混凝土组合剪力墙主要应用于超高层建筑结构中,是主要的抗侧力构件,其底部剪力墙往往承担巨大的竖向荷载,轴压比和混凝土强度是影响其抗震性能的主要因素。为研究内置钢板高强混凝土组合剪力墙在高轴压比下的抗震性能,进行2个剪跨比为2.28的组合剪力墙试件拟静力试验,设计轴压比分别为0.6和0.8,C70混凝土。研究组合剪力墙在低周反复荷载作用下的受力性能和破坏模式,分析轴压比对抗震性能的影响。结果表明：2个试件最终均发生压弯破坏,破坏截面基本符合平截面假定,滞回曲线均较饱满,耗能性能良好,同时具有比较稳定的水平承载力;随着轴压比增大,组合剪力墙的水平承载力、初始刚度和耗能能力增大,侧向变形能力有所降低,但屈服位移角仍大于1/120,极限位移角为1/46。研究可为内置钢板高强混凝土组合剪力墙的工程应用提供理论参考。