疲勞測力傳感器在土木工程中的應(yīng)用與進展

在土木工程領(lǐng)域，疲勞測力傳感器正以其jing準的監(jiān)測能力，默默守護著橋梁、建筑等大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全，成為現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中不可或缺的“健康醫(yī)生”。

疲勞測力傳感器作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的核心部件，通過實時捕捉和評估材料在循環(huán)載荷下的力學(xué)響應(yīng)，為土木工程結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和使用壽命提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

01 橋梁工程的疲勞監(jiān)測

在橋梁工程中，疲勞測力傳感器的應(yīng)用尤為關(guān)鍵。鋼桁架橋等金屬結(jié)構(gòu)在長期服役過程中，疲勞裂紋的出現(xiàn)是影響橋梁安全的主要隱患。

研究表明，約85%的金屬結(jié)構(gòu)失效是由疲勞引起的。

針對一座服役近30年出現(xiàn)大量疲勞裂紋的長江鋼桁架橋，工程人員進行了橫梁節(jié)點加固前后的足尺試件疲勞試驗。

通過傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員jing確掌握了加固后橋梁疲勞薄弱細節(jié)的應(yīng)力分布規(guī)律，為評估栓接鋼板加固方法的有效性提供了科學(xué)依據(jù)。

在寒區(qū)橋梁的安全監(jiān)測中，疲勞傳感器同樣發(fā)揮著重要作用。我國西安建筑科技大學(xué)團隊通過8組足尺構(gòu)件實驗，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在經(jīng)過300次凍融循環(huán)后，其應(yīng)變損失可能驟增20倍。

基于傳感器采集的數(shù)據(jù)，團隊建立了預(yù)應(yīng)力損失模型，能夠jing準預(yù)測寒區(qū)橋梁壽命，預(yù)測準確度高達90%以上。

02 鋼結(jié)構(gòu)與焊接節(jié)點的監(jiān)測

焊接構(gòu)造是鋼橋的薄弱部位，在反復(fù)車輛荷載作用下，疲勞損傷逐步成為影響橋梁服役安全的關(guān)鍵問題。

以Q550E高強鋼為研究對象，長沙理工大學(xué)研究團隊開展了母材和對接焊縫接頭的靜力拉伸和疲勞裂紋擴展試驗。

通過疲勞測力傳感器的監(jiān)測，建立了母材及焊接連接件的疲勞裂紋增長模型，揭示了應(yīng)力比對高強鋼焊接節(jié)點疲勞裂紋擴展速率的影響規(guī)律。

這些研究成果為鋼橋焊接節(jié)點的設(shè)計與維護提供了重要依據(jù)。

大型結(jié)構(gòu)疲勞試驗系統(tǒng)通過多作動器協(xié)調(diào)加載，能夠模擬橋梁多點受力狀態(tài)。結(jié)合光纖光柵（FBG）傳感器，工程人員可以實時監(jiān)測疲勞過程中的應(yīng)變分布與損傷定位。

03 混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞損傷監(jiān)測

混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞監(jiān)測是保障建筑安全的重要環(huán)節(jié)。

該系統(tǒng)包括傳感器監(jiān)測模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊和分析處理模塊，能夠?qū)崟r監(jiān)測混凝土構(gòu)件的多種物理參數(shù)，并綜合環(huán)境因素對混凝土構(gòu)件疲勞損傷狀態(tài)進行準確評估。

在混凝土結(jié)構(gòu)的疲勞研究中，團隊發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力水平與凍融循環(huán)的“雙刃劍效應(yīng)”。

低應(yīng)力條件（應(yīng)力水平≤0.2）下，預(yù)應(yīng)力能yi制微裂縫產(chǎn)生，使凍脹裂紋數(shù)量減少15%。

而在高應(yīng)力條件（應(yīng)力水平≥0.3）下，鋼筋拉力與凍脹壓力疊加，會導(dǎo)致界面損傷急劇惡化，使構(gòu)件提前50次循環(huán)失效。

04 監(jiān)測技術(shù)的前沿發(fā)展

土木工程疲勞監(jiān)測技術(shù)正朝著多學(xué)科融合、智能化方向發(fā)展。多學(xué)科融合平臺系統(tǒng)結(jié)合疲勞試驗機，已突破單一學(xué)科限制，應(yīng)用于土木工程等領(lǐng)域。

光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)因其輕質(zhì)、高靈敏度和低信號損耗等優(yōu)勢，在疲勞監(jiān)測中應(yīng)用日益廣泛。

相較于傳統(tǒng)的電阻和振弦式傳感技術(shù)，光纖傳感具有更佳的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)為疲勞監(jiān)測提供了新的方向。通過結(jié)合IoT傳感器與疲勞試驗數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建工程結(jié)構(gòu)的全生命周期疲勞數(shù)字孿生體。

基于BIM的疲勞壽命預(yù)測，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)修正有限元模型，大大提高了預(yù)測的準確性。

AI驅(qū)動的疲勞壽命預(yù)測技術(shù)也在不斷發(fā)展。基于深度學(xué)習(xí)（如LSTM網(wǎng)絡(luò)）分析歷史疲勞數(shù)據(jù)，可以預(yù)測新材料在復(fù)雜載荷譜下的壽命。