如何实现结构内力感知的全生命周期量值溯源？

问题描述

土木建筑结构的数字化需要基于可靠、可信的数据支撑，对结构动态监测（monitoring）的核心是测量（measurement)，而测量的核心是计量(metrology）和量值溯源（traceability)。为了实现对土木工程结构力学状态的全生命周期长效监测，仅仅靠提升传感器的服役可靠性是不够的，还需要考虑在结构内力测量在受力状态下实现量值溯源的能力；目前，受力状态下量值溯源能力的缺失导致数字孪生系统无法基于可靠、可信的数据进行计算和分析，得出的结论可信度受到质疑。

考虑结构内力测量的广泛需求，研究并解决这一量值溯源难题，不仅可以大大提高土木建筑结构的安全性、可靠性和使用寿命，还可以降低建造成本和维护成本。此外，这项技术还可以应用到其他工程领域，有助于推动各产业向智能化、绿色化、高质量方向发展，并为全球可持续发展做出积极贡献。

问题背景

随着土木建筑结构的复杂性和工程挑战不断增加，工程界基于物联网技术、结构健康监测、数字孪生等新技术手段，对土木建筑结构进行实时监测和评估，以提高其可靠性和安全性。

工程结构的安全性和可靠性取决于其受力情况。为了动态地监测结构的受力情况，需要测量其内力。内力测量与常规力学测量不同，因为它需要在结构持续受力的过程中进行：在结构的全生命周期中，结构的约束边界条件始终承受复合荷载（动载、静载）作用，而常规力学测量及校准所必要的量值溯源方式（砝码、力标准机）无法使用。因此，常规测力技术由于缺乏在服役过程中受力状态下的量值溯源能力导致数据可靠性无法得到保证，进一步导致不论数字孪生算法多么先进，最终无法得出可信、可靠的结构评价结果。因此，如何在结构全生命周期持续监测内力并支持量值溯源，是当前结构健康监测和数字孪生技术发展中的一个重要挑战。

最新进展

近30年来，美国、德国、日本和中国在结构内力测量这一领域已取得的大量研究成果，常见的测力传感器有光纤光栅传感器、振弦传感器、磁通量传感器、振动传感器、热电偶传感器、压力传感器和应变传感器等。在传感器校准后，需要通过力标准机对读数进行校准，目前高可靠性的传感器技术已能实现在复杂工况下保证数月乃至更长时间的测量准确性，然而，由于传感器的漂移、蠕变无法避免，且传感器读数与力值的函数关系会随着时间推移和工况的变化而发生不可逆变化，因此为了实现结构数十年乃至上百年的全生命周期动态测力，需要在服役期间进行重新的量值溯源，其涉及传感器更换及函数关系更新等；结合结构工程的特点，量值溯源工作还需要避免影响结构的受力状态。

这种新型力学量值溯源技术研究需要包括材料学、工程力学、传感器技术、信息技术及计量学等领域的跨学科协同创新。此外，需要建立标准和规范，才能确保工程实践中结构内力测量的准确性、可靠性和可重复性。

重要意义

在技术取得突破且形成标准、规范后，土木建筑结构将获得可靠的约束边界条件及内力感知能力，健康监测系统、数字孪生系统的可靠性及可信度将获得大幅提升。在此基础上，自适应数字孪生技术将对结构不合理的内力状态进行自动的调节，将土木建筑结构改造成为具备自感知、自调节、自优化能力的控制结构。使结构更加长效，减少维护成本，提高工程建设的安全性和可靠性。

在设计阶段，通过将约束边界条件受力状态设计为定值，在相同的安全系数下，可以优化断面尺寸，减少建筑材料使用，促进碳中和。这将为实现绿色建筑、节能减排等目标提供重要支撑。

除了对土木建筑结构领域的重大影响外，该技术的应用还将在其他交叉领域产生深远的影响。数字孪生技术将因为具备全寿命复合荷载感知能力而获得更多对机械、能源、矿业、航天航空等领域的有效支持。有助于推动各产业向智能化、绿色化、高质量方向发展，并为全球可持续发展做出积极贡献。