土木工程結構損傷識別

　　土木工程結構損傷識別【1】

　　【摘要】結構損傷識別是近年來(lái)國際上的研究熱點(diǎn)。

　　闡述了實(shí)施土木工程結構損傷識別的必要性，在綜述近幾年國內外有關(guān)結構損傷診斷研究進(jìn)展的基礎上，討論了結構損傷檢測中的兩類(lèi)方法，重點(diǎn)對損傷識別中的動(dòng)力指紋法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、遺傳算法、小波分析法進(jìn)行了分析和比較，最后闡述了結構損傷識別領(lǐng)域目前存在的主要問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展方向。

　　【關(guān)鍵詞】土木工程 結構損傷 探討

　　一、前言

　　近些年來(lái)，國內外學(xué)者通過(guò)數值模擬、理論分析和模型試驗等方法，分別對結構的性能進(jìn)行了相關(guān)的研究，取得了很大的研究進(jìn)展和有價(jià)值的科研成果。

　　同時(shí)，基于結構特性，如何評價(jià)受到損傷結構的損傷特性和可靠性，這樣可以對結構是否損傷以及是否需修葺做出正確的判斷，這也是當今結構工程面臨的新課題。

　　解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于對受損結構做出正確的識別與診斷。

　　對可能出現的損傷特性進(jìn)行分析，并且對受損結構進(jìn)行可靠度評估應成為結構研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。

　　二、國內外損傷識別與診斷方法現狀

　　結構損傷識別最早被應用于機械領(lǐng)域。

　　對于連桿、齒輪等一系列零件組成的大型機械，人們很早就開(kāi)始對它們進(jìn)行結構的故障診斷。

　　后來(lái)到20世紀60年代，結構無(wú)損檢測技術(shù)得到了發(fā)展。

　　80年代后期，計算機技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能等學(xué)科的知識不斷被應用到結構損傷檢測中。

　　對土木工程結構而言，早期建筑物的損傷出現頻率較低。

　　危害程度遠沒(méi)有機械工程那樣高，而且可以允許一定程度的帶損傷工作，所以土木工程的損傷檢測發(fā)展較慢，且多數屬于結構可靠性評估。

　　20世紀初期為探索階段，主要是對結構缺陷的分析和修理方法的研究。

　　20世紀中期則為損傷檢測的發(fā)展階段，主要對結構檢測方法的研究，提出了有損檢測、無(wú)損檢測、物理檢測等檢測方法。

　　20世紀70年代以來(lái)，結構的損傷檢測技術(shù)更加完善，制定了相應的規范和標準，并且強調了綜合評價(jià)，使結構的損傷識別與診斷工向著(zhù)智能化方向發(fā)展。

　　而我國的土木工程結構損傷識別與診斷發(fā)展較晚，主要研究也是在70年代以后，隨著(zhù)結構抗震、抗風(fēng)研究的發(fā)展，才逐步開(kāi)始結合可靠性評估和安全鑒定進(jìn)行結構損傷檢測方面的研究。

　　三、損傷檢測

　　結構損傷識別是：通過(guò)對結構的關(guān)鍵性能指標的測試和分析，判斷結構是否受到損傷;如果結構受到損傷，則損傷位置、損傷大小如何;為判斷結構能否繼續使用及其剩余壽命估計提供決策依據。

　　結構的損傷識別主要包括4個(gè)層次：(1)結構是否發(fā)生損傷;(2)對損傷的定位;(3)對結構損傷大小進(jìn)行評價(jià);(4)對結構的剩余壽命進(jìn)行估計。

　　目前關(guān)于結構損傷識別的第一層次的研究已經(jīng)成熟，而關(guān)于損傷定位與損傷大小方面的研究是核心，也是難點(diǎn)。

　　結構損傷檢測技術(shù)按檢測目標可分為局部檢測和整體檢測兩大類(lèi)。

　　局部法依靠無(wú)損檢測技術(shù)對特定構件進(jìn)行精確的檢測、查找，描述缺陷的部位;而整體法試圖評價(jià)整體結構的狀態(tài)，可以間斷或連續地評價(jià)結構的健康，確定損傷存在的可疑區域。

　　在大型土木結構工程的健康監測中多綜合利用局部法和整體法。

　　1、局部檢測方法。

　　局部檢測方法有目測法、回彈法、染色法、光干涉法、聲發(fā)射法、射線(xiàn)法、超聲波技術(shù)等。

　　局部檢測方法需要預先知道結構損傷的大體位置，并且要求檢測儀器能夠到達損傷區域，對于大型復雜結構，無(wú)法給出整體結構的損傷信息。

　　2、整體檢測方法。

　　任何結構都可以看作是由剛度、質(zhì)量、阻尼等物理參數組成的力學(xué)系統，結構一旦出現損傷，結構參數也隨之發(fā)生改變。

　　因此，結構參數的改變可以視為結構損傷發(fā)生的標志。

　　利用損傷發(fā)生前后結構參數特性的改變來(lái)診斷結構損傷的方法稱(chēng)為整體檢測方法。

　　整體檢測方法大致可以分為動(dòng)力指紋法、模型修正法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法、遺傳算法、小波分析法。

　　3、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是通過(guò)模擬人體神經(jīng)肌理用以研究客觀(guān)事物的方法，同時(shí)具有計算機并行計算能力和自我學(xué)習功能，同時(shí)還有強大的容錯性，并且善于聯(lián)想、綜合和擴散，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法的墨水識別可以解決高噪聲和模式損失等缺陷，成為土木工程結構損傷識別與診斷的得力工具之一。

　　其原理是通過(guò)分析結構在不同狀態(tài)下的各種反應，提取出結構的特征值，取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸入向量作為結構損傷敏感的參數，輸出結構的不同損傷狀態(tài)，建立起輸入參數與輸出損傷狀態(tài)之間的關(guān)系，訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具備模式分類(lèi)能力，可反映出結構損傷的模式。

　　同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具有強非線(xiàn)性的映射能力，適合于非線(xiàn)性模式識別和分類(lèi)，與模型修正法相比，其適用范圍更廣。

　　4、遺傳算法。

　　遺傳算法的基本思想是從一組隨機產(chǎn)生的初始解開(kāi)始進(jìn)行搜索，種群中的每一個(gè)個(gè)體即是問(wèn)題的一個(gè)解，稱(chēng)為“染色體”。

　　遺傳算法通過(guò)染色體的適應值來(lái)評價(jià)染色體的好壞，適應值大的染色體被選擇的機率高，反之被選擇的機率就小，被選擇的染色體進(jìn)入下一代;下一代染色體再經(jīng)過(guò)交叉、變異等操作而產(chǎn)生了新的染色體，即“后代”;不斷地重復此過(guò)程，經(jīng)過(guò)若干代后，算法收斂于最好的染色體，即為問(wèn)題的最優(yōu)解。

　　遺傳算法是一種基于自然遺傳和自然選擇機理尋優(yōu)的方法，將其引入損傷評估的最優(yōu)化方法中，在測試獲取信息不多的情況下，能迅速判定損傷位置和程度，即使模態(tài)信息部分丟失時(shí)，遺傳算法尋優(yōu)能力絲毫不受影響。

　　遺傳算法只需計算各可行解的目標值而不要求目標函數的連續性，不需要梯度信息，并采取多線(xiàn)索的并行搜索方式進(jìn)行優(yōu)化，因而不會(huì )陷入局部最小，且使用方便，魯棒性強。

　　四、結構損傷識別存在的主要問(wèn)題

　　1、結構模型誤差。

　　人們對于客觀(guān)系統中現象的描述或預測總是在一定的基本條件下進(jìn)行的，在某些規定的基本條件下，將客觀(guān)系統抽象為具有一定模型形式和參數的數學(xué)模型。

　　針對具體的土木工程結構系統，在模型化的過(guò)程中，由于系統的復雜性而引起的系統阻尼機制、摩擦系數、非線(xiàn)性特性等的隨機性，由于結構的復雜性而引入的結構鏈接和邊界條件等的簡(jiǎn)化假定，都使得結構模型不能夠準確地反映結構內部的每一細節，表現為結構模型的不完備性。

　　由于科學(xué)研究的不斷進(jìn)步，只要有新的試驗方法能夠減少試驗的不精確性，新理論和新模型就會(huì )產(chǎn)生，從而允許對觀(guān)測進(jìn)行更精確的解釋?zhuān)�這也是通過(guò)結構識別方法改進(jìn)結構模型的基本目的。

　　由于這個(gè)原因，若沒(méi)有對模型不完備帶來(lái)的誤差進(jìn)行仔細分析，通常不能正確處理結構損傷識別問(wèn)題。

　　2、實(shí)測數據不完整。

　　大多數結構損傷識別方法假定結構模型自由度與實(shí)測自由度相同，然而在實(shí)際結構中，由于條件上的限制，會(huì )造成實(shí)測數據的不完備。

　　如，結構測試傳感器只能布置在有限的位置上，特別是較復雜結構，傳感器就更為稀疏;實(shí)測數據的不完整也與結構的形式有關(guān)，對于包含受彎構件的結構，旋轉自由度的響應在實(shí)際中是無(wú)法觀(guān)測得到的;在結構振動(dòng)試驗中，由于激勵方式、數據采樣和濾波的限制，只能獲得有限頻域范圍的模態(tài)數據。

　　實(shí)測數據的不完整無(wú)法給結構損傷識別提供充分有用信息，常常造成在欠定條件下的求解，加劇了識別問(wèn)題的不適定程度。

　　五、結束語(yǔ)

　　對于各種復雜工程結構在使用過(guò)程中的損傷識別與診斷，對許多問(wèn)題需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

　　由于損傷識別與診斷在工程結構上的應用較少，必須對不同的工程結構進(jìn)行各種損傷試驗，對識別與檢測方法進(jìn)行驗證，使這些方法得到廣泛應用。

　　參考文獻：

　　[1]王柏生，倪一清，等.青馬大橋橋板結構損傷位置識別的數值模擬[J].土木工程學(xué)報，2001，34(3)

　　[2]張啟偉，史家鈞，項海帆.大型橋梁結構損傷識別方法研究[J].上海市政工程，1998，(2)

　　[3]高贊明，孫宗光，倪一清.基于振動(dòng)方法的汲水門(mén)大橋損傷檢測研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(4)

　　土木工程結構損傷診斷研究【2】

　　摘要：建筑結構在建設和使用過(guò)程中由于初始缺陷的存在及荷載和環(huán)境的共同作用，使結構在使用中產(chǎn)生不同程度的損傷，結合實(shí)際，針對土木工程結構損傷診斷方法進(jìn)行探討。

　　關(guān)鍵詞：土木工程;損傷診斷;檢測

　　土木工程結構損傷檢測技術(shù)一般可分為局部檢測和整體檢測兩大類(lèi)。

　　局部檢測與評定針對的對象是具體可疑的結構構件，即通常所說(shuō)的無(wú)損檢測與評價(jià)，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如聲發(fā)射法、超聲法、射線(xiàn)法、渦流法、光學(xué)診斷法、磁粉法、泄漏法、紅外診斷法、探地雷達法等，局部檢測目的性極強，檢測結果具體、準確，一般也要求能觸及被測構件，多用在結構目標部位的常規檢測，檢測結果可直接作為結構維修加固的依據。

　　其缺陷是工作繁瑣，費用高，無(wú)法對大型復雜結構或事先無(wú)法預測損傷位置的結構是進(jìn)行全面檢查，只有在整體檢測方法確定目標部位以后使用較為合適，而且無(wú)法給出整體結構的受損程度信息。

　　因此，人們試圖通過(guò)對結構整體特性和響應(如變形、頻率、相位、振型、阻尼與狀態(tài)反應等)的測量和分析對結構損傷進(jìn)行檢測與評價(jià)，這就是整體檢測法，它可以確定損傷存在的可疑區域和損傷程度。

　　整體檢測法是一個(gè)結構分析的反問(wèn)題，在已知結構響應和荷載作用，甚至只知道結構響應的情況下確定結構參數，并進(jìn)一步預測結構性能。

　　1、混凝土結構現場(chǎng)檢測方法

　　混凝土結構宏觀(guān)性能試驗方法是“試件試驗”。

　　這類(lèi)方法以試件破壞時(shí)的實(shí)測值，作為判斷混凝土性能的依據較為直觀(guān)，稱(chēng)為破損性實(shí)驗。

　　由于試件中的混凝土與結構中的混凝土質(zhì)量、受力狀況及各種條件不可能完全一致，而且對于建筑結構的現場(chǎng)檢測也不太適用。

　　20世紀30年代混凝土非破損檢測方法發(fā)展起來(lái)了，如回彈法、超聲脈沖法等在無(wú)損傷混凝土的條件下進(jìn)行現場(chǎng)檢測。

　　1.1回彈法

　　回彈法是用回彈儀彈擊混凝土表面，由儀器重錘回彈能量的變化，反映混凝土的彈性和塑性性質(zhì)，測量混凝土的表面硬度推算抗壓強度，是混凝土結構現場(chǎng)檢測中常用的一種非破損試驗方法，我國已編制了規范。

　　回彈法的主要優(yōu)點(diǎn)是：儀器構造簡(jiǎn)單，方法易于掌握，檢測效率高，費用低廉，影響因素較少，但還存在一定不足：回彈值受碳化深度、測試角度的影響，石子種類(lèi)對其也有影響，要對回彈值進(jìn)行不同的修正，對存在有質(zhì)量疑問(wèn)區域的混凝土，需用其它方法進(jìn)行進(jìn)一步檢測。

　　1.2超聲脈沖法

　　用超聲脈沖法檢測混凝土強度是測試超聲波在混凝土中的傳播參數，找出混凝土抗壓強度與這些參數的關(guān)系，確定其抗壓強度。

　　混凝土是各向異性的多相復合材料，內部存在廣泛分布的砂漿與骨料的界面和各種缺陷，使超聲波在混凝土中的傳播要比在均勻介質(zhì)中復雜得多，產(chǎn)生反射、折射和散射現象，并出現較大衰減，因此超聲脈沖法檢測混凝土強度雖然能夠檢測出混凝土內部存在的問(wèn)題，但是對測試儀器、換能器與混凝土的強度和超聲傳播聲速間的定量關(guān)系受到混凝土的原材料性質(zhì)及配合比的影響;測試試件的溫度和含水率的影響等，只有綜合考慮各種因素和條件，建立高擬合度的專(zhuān)門(mén)曲線(xiàn)，使用時(shí)才能得到比較滿(mǎn)意的精度。

　　1.3超聲回彈綜合法

　　超聲回彈綜合法是建立在超聲傳播和回彈值與混凝土抗壓強度之間相互關(guān)系上，以聲速和回彈值來(lái)綜合反映混凝土抗壓強度的一種非破損檢測方法。

　　超聲回彈綜合法在一定程度上克服了以單一指標評定混凝土強度的不足，它把石子和測試面的影響，從檢測結果中加以修正，對于多指標綜合，能較全面地反映與混凝土強度有關(guān)的各種要素的作用，提高了測試精度。

　　2、砌體結構的現場(chǎng)檢測方法

　　砌體結構主要指磚砌體，砌體強度是由磚塊和砂漿強度或施工時(shí)制做的砌體試塊強度來(lái)決定的，傳統的檢測方法是直接從砌體結構上截取試樣，進(jìn)行抗壓強度試驗而砌體結構的特點(diǎn)導致取樣存在較大難度，取樣時(shí)的擾動(dòng)又會(huì )對試樣產(chǎn)生較大損傷，從而影響試驗結果。

　　因此，砌體結構的現場(chǎng)原位非破損或半破損試驗方法理所當然地受到重視，并廣泛開(kāi)展研究和工程實(shí)際應用。

　　2.1砌體強度的間接測定法

　　砌體強度與砂漿和磚塊強度有直接關(guān)系。

　　由砂漿和磚塊強度等級可確定砌體的抗壓強度，間接測定法就是使用專(zhuān)門(mén)的儀器和專(zhuān)門(mén)的測試方法，測量砂漿和磚塊的某一項強度指標或與材料強度有關(guān)的某―項物理參數，并由此間接測定砌體強度。

　　2.1.1沖擊法。

　　依據物體破碎時(shí)所消耗的功與破碎過(guò)程中新產(chǎn)生表面積成正比的基本原理、由事先建立的單位功表面積增量和抗壓強度之間的經(jīng)驗公式，求得砂漿或磚塊試樣的強度。

　　2.1.2回彈法。

　　檢測磚塊和砂漿強度的基本原理與混凝土強度檢測的回彈法相同，只是采用專(zhuān)門(mén)的砂漿回彈儀，因為磚的表面硬度與強度有良好的相關(guān)性，所以，此法精度高，且簡(jiǎn)單、適用。

　　2.1.3推出法。

　　推出法又稱(chēng)頂推法、剪法，具體稱(chēng)單磚單剪法。

　　即把一單磚的頂面、兩側面砂漿清除，只留底面，用特制的小千斤頂將其“頂出”，在極限狀態(tài)時(shí)，測得磚與砂漿的粘接抗剪強度，并根據抗剪強度與抗壓強度的關(guān)系，推出抗壓強度。

　　2.2砌體強度直接測定法

　　2.2.1抽樣檢測法。

　　主要包括切割法與取芯法，切割法切割的試件寵大，搬運過(guò)程中擾動(dòng)大，造成試驗結果的離散性大，耗費大量的人力、財力，只限于龐大砌體工程質(zhì)量事故處理及對其它方法的校準。

　　取芯法是對芯樣作抗壓和抗剪試驗，對砌體擾動(dòng)也很大，其試驗結果不太一致。

　　2.2.2原位檢測法。

　　主要包括扁頂法、原位軸壓法和原位剪切法。

　　扁頂法是采用扁式液壓測力器裝入開(kāi)挖的砌體灰縫中進(jìn)行砌體強度的原位檢測方法，它較好地克服了取樣法的不足，但設備復雜，允許的極限應變較小，鍘定砌體的極限強度受到限制。

　　原位軸壓法是對扁頂法的改進(jìn)，其原理與其一致，測定砌體的極限抗壓強度。

　　推算其標準抗壓強度，缺點(diǎn)是設備較沉重，使用不便，原位剪切法是在墻體上直接測試砌體通縫的抗剪強度。

　　由于對測試部位有限制，使其應用有一定的局限性。

　　2.2.3動(dòng)測綜合法。

　　動(dòng)測綜合法是振動(dòng)反演理論在工程上的應用。

　　在脈動(dòng)、起振機共振、自由釋放或沖擊等激振方式的作用下，通過(guò)測量砌體結構的頻率和振型等參數，根據系統識別理論得到層間剛度，推算出各層砌體軸心抗壓強度，此法從房屋整體出發(fā)，不僅能得到砌體的強度，鑒定房屋的質(zhì)量，便于對房屋進(jìn)行安全性評定，隨著(zhù)檢測儀器技術(shù)的改進(jìn)，算法的優(yōu)選，結果的精度不斷提高，很有發(fā)展前途。

　　2.2.4微觀(guān)結構法。

　　聲、渡、射線(xiàn)等在材料中傳播時(shí)，會(huì )因材料的微觀(guān)結構的判別而不同，由此可推斷出材料的強度。

　　我國在砌體房屋檢測的方法有應力波法和超聲波法。

　　應力波法測低強和高強砂漿砌體時(shí)，精度不高，超聲波法由干影響因素較多，測試結果不理想，有待進(jìn)一步提高。

　　3、結論

　　結構現場(chǎng)檢測技術(shù)對工程質(zhì)量事故的檢測、處理方面，具有重大的應用價(jià)值，從國內外的發(fā)展狀況來(lái)看，該項技術(shù)涉及到多個(gè)學(xué)科的應用技術(shù)，應進(jìn)一步研究、完善，應從以下幾個(gè)方面來(lái)努力，創(chuàng )新：

　　3.1新參數、新性能指標的測試。

　　隨著(zhù)材料科學(xué)的發(fā)展，許多新材料被工程所應用，建筑結構設計的不斷改進(jìn)，一些新的參數和新的性能指標能夠說(shuō)明新材料和新結構的可靠性，需要不斷研究這些參數指標的測試方法，為工程實(shí)踐服務(wù)，是當前測試技術(shù)發(fā)展的趨勢。

　　3.2新思想的引入、對數學(xué)模型的創(chuàng )新和改善。

　　在建筑結構檢測方法的研究中，引入新思想，不僅要考慮宏觀(guān)力學(xué)，還要考慮微觀(guān)力學(xué)，深入全面地看問(wèn)題。

　　已有的檢測方法中用到的經(jīng)驗公式有―定的局限性、在新的數學(xué)模型建立時(shí)，應更加注意其邊界條件，擴大使用范圍，提高擬合程度。

　　參考文獻

　　[1]王蘇巖建筑結構現場(chǎng)檢測方法評析

　　[2]張有才建筑物的檢測、鑒定，加固與改造[M].北京冶金工業(yè)出版社，2001

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