土木工程结构损伤识别

时间：2021-02-02 13:29:17 土木工程毕业论文我要投稿

土木工程结构损伤识别

　　土木工程结构损伤识别【1】

土木工程结构损伤识别

　　【摘要】结构损伤识别是近年来国际上的研究热点。

　　阐述了实施土木工程结构损伤识别的必要性，在综述近几年国内外有关结构损伤诊断研究进展的基础上，讨论了结构损伤检测中的两类方法，重点对损伤识别中的动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法、小波分析法进行了分析和比较，最后阐述了结构损伤识别领域目前存在的主要问题和未来的发展方向。

　　【关键词】土木工程结构损伤探讨

　　一、前言

　　近些年来，国内外学者通过数值模拟、理论分析和模型试验等方法，分别对结构的性能进行了相关的研究，取得了很大的研究进展和有价值的科研成果。

　　同时，基于结构特性，如何评价受到损伤结构的损伤特性和可靠性，这样可以对结构是否损伤以及是否需修葺做出正确的判断，这也是当今结构工程面临的新课题。

　　解决这一问题的关键在于对受损结构做出正确的识别与诊断。

　　对可能出现的损伤特性进行分析，并且对受损结构进行可靠度评估应成为结构研究的一个重要领域。

　　二、国内外损伤识别与诊断方法现状

　　结构损伤识别最早被应用于机械领域。

　　对于连杆、齿轮等一系列零件组成的大型机械，人们很早就开始对它们进行结构的故障诊断。

　　后来到20世纪60年代，结构无损检测技术得到了发展。

　　80年代后期，计算机技术、信息技术和人工智能等学科的知识不断被应用到结构损伤检测中。

　　对土木工程结构而言，早期建筑物的损伤出现频率较低。

　　危害程度远没有机械工程那样高，而且可以允许一定程度的带损伤工作，所以土木工程的损伤检测发展较慢，且多数属于结构可靠性评估。

　　20世纪初期为探索阶段，主要是对结构缺陷的分析和修理方法的研究。

　　20世纪中期则为损伤检测的发展阶段，主要对结构检测方法的研究，提出了有损检测、无损检测、物理检测等检测方法。

　　20世纪70年代以来，结构的损伤检测技术更加完善，制定了相应的规范和标准，并且强调了综合评价，使结构的损伤识别与诊断工向着智能化方向发展。

　　而我国的土木工程结构损伤识别与诊断发展较晚，主要研究也是在70年代以后，随着结构抗震、抗风研究的发展，才逐步开始结合可靠性评估和安全鉴定进行结构损伤检测方面的研究。

　　三、损伤检测

　　结构损伤识别是：通过对结构的关键性能指标的测试和分析，判断结构是否受到损伤;如果结构受到损伤，则损伤位置、损伤大小如何;为判断结构能否继续使用及其剩余寿命估计提供决策依据。

　　结构的损伤识别主要包括4个层次：(1)结构是否发生损伤;(2)对损伤的定位;(3)对结构损伤大小进行评价;(4)对结构的剩余寿命进行估计。

　　目前关于结构损伤识别的第一层次的研究已经成熟，而关于损伤定位与损伤大小方面的研究是核心，也是难点。

　　结构损伤检测技术按检测目标可分为局部检测和整体检测两大类。

　　局部法依靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找，描述缺陷的部位;而整体法试图评价整体结构的状态，可以间断或连续地评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。

　　在大型土木结构工程的健康监测中多综合利用局部法和整体法。

　　1、局部检测方法。

　　局部检测方法有目测法、回弹法、染色法、光干涉法、声发射法、射线法、超声波技术等。

　　局部检测方法需要预先知道结构损伤的大体位置，并且要求检测仪器能够到达损伤区域，对于大型复杂结构，无法给出整体结构的损伤信息。

　　2、整体检测方法。

　　任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变。

　　因此，结构参数的改变可以视为结构损伤发生的标志。

　　利用损伤发生前后结构参数特性的改变来诊断结构损伤的方法称为整体检测方法。

　　整体检测方法大致可以分为动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法、小波分析法。

　　3、神经网络技术。

　　人工神经网络技术是通过模拟人体神经肌理用以研究客观事物的方法，同时具有计算机并行计算能力和自我学习功能，同时还有强大的容错性，并且善于联想、综合和扩散，采用神经网络算法的墨水识别可以解决高噪声和模式损失等缺陷，成为土木工程结构损伤识别与诊断的得力工具之一。

　　其原理是通过分析结构在不同状态下的各种反应，提取出结构的特征值，取神经网络输入向量作为结构损伤敏感的参数，输出结构的不同损伤状态，建立起输入参数与输出损伤状态之间的关系，训练后的神经网络具备模式分类能力，可反映出结构损伤的模式。

　　同时，神经网络具有强非线性的映射能力，适合于非线性模式识别和分类，与模型修正法相比，其适用范围更广。

　　4、遗传算法。

　　遗传算法的基本思想是从一组随机产生的初始解开始进行搜索，种群中的每一个个体即是问题的一个解，称为“染色体”。

　　遗传算法通过染色体的适应值来评价染色体的好坏，适应值大的染色体被选择的机率高，反之被选择的机率就小，被选择的染色体进入下一代;下一代染色体再经过交叉、变异等操作而产生了新的染色体，即“后代”;不断地重复此过程，经过若干代后，算法收敛于最好的染色体，即为问题的最优解。

　　遗传算法是一种基于自然遗传和自然选择机理寻优的方法，将其引入损伤评估的最优化方法中，在测试获取信息不多的情况下，能迅速判定损伤位置和程度，即使模态信息部分丢失时，遗传算法寻优能力丝毫不受影响。

　　遗传算法只需计算各可行解的目标值而不要求目标函数的连续性，不需要梯度信息，并采取多线索的并行搜索方式进行优化，因而不会陷入局部最小，且使用方便，鲁棒性强。

　　四、结构损伤识别存在的主要问题

　　1、结构模型误差。

　　人们对于客观系统中现象的描述或预测总是在一定的基本条件下进行的，在某些规定的基本条件下，将客观系统抽象为具有一定模型形式和参数的数学模型。

　　针对具体的土木工程结构系统，在模型化的过程中，由于系统的复杂性而引起的系统阻尼机制、摩擦系数、非线性特性等的随机性，由于结构的复杂性而引入的结构链接和边界条件等的简化假定，都使得结构模型不能够准确地反映结构内部的每一细节，表现为结构模型的不完备性。

　　由于科学研究的不断进步，只要有新的试验方法能够减少试验的不精确性，新理论和新模型就会产生，从而允许对观测进行更精确的解释，这也是通过结构识别方法改进结构模型的基本目的。

　　由于这个原因，若没有对模型不完备带来的误差进行仔细分析，通常不能正确处理结构损伤识别问题。

　　2、实测数据不完整。

　　大多数结构损伤识别方法假定结构模型自由度与实测自由度相同，然而在实际结构中，由于条件上的限制，会造成实测数据的不完备。

　　如，结构测试传感器只能布置在有限的位置上，特别是较复杂结构，传感器就更为稀疏;实测数据的不完整也与结构的形式有关，对于包含受弯构件的结构，旋转自由度的响应在实际中是无法观测得到的;在结构振动试验中，由于激励方式、数据采样和滤波的限制，只能获得有限频域范围的模态数据。

　　实测数据的不完整无法给结构损伤识别提供充分有用信息，常常造成在欠定条件下的求解，加剧了识别问题的不适定程度。

　　五、结束语

　　对于各种复杂工程结构在使用过程中的损伤识别与诊断，对许多问题需要进一步进行研究。

　　由于损伤识别与诊断在工程结构上的应用较少，必须对不同的工程结构进行各种损伤试验，对识别与检测方法进行验证，使这些方法得到广泛应用。

　　参考文献：

　　[1]王柏生，倪一清，等.青马大桥桥板结构损伤位置识别的数值模拟[J].土木工程学报，2001，34(3)

　　[2]张启伟，史家钧，项海帆.大型桥梁结构损伤识别方法研究[J].上海市政工程，1998，(2)

　　[3]高赞明，孙宗光，倪一清.基于振动方法的汲水门大桥损伤检测研究[J].地震工程与工程振动，2001，21(4)

　　土木工程结构损伤诊断研究【2】

　　摘要：建筑结构在建设和使用过程中由于初始缺陷的存在及荷载和环境的共同作用，使结构在使用中产生不同程度的损伤，结合实际，针对土木工程结构损伤诊断方法进行探讨。

　　关键词：土木工程;损伤诊断;检测

　　土木工程结构损伤检测技术一般可分为局部检测和整体检测两大类。

　　局部检测与评定针对的对象是具体可疑的结构构件，即通常所说的无损检测与评价，其技术已经比较成熟，如声发射法、超声法、射线法、涡流法、光学诊断法、磁粉法、泄漏法、红外诊断法、探地雷达法等，局部检测目的性极强，检测结果具体、准确，一般也要求能触及被测构件，多用在结构目标部位的常规检测，检测结果可直接作为结构维修加固的依据。

　　其缺陷是工作繁琐，费用高，无法对大型复杂结构或事先无法预测损伤位置的结构是进行全面检查，只有在整体检测方法确定目标部位以后使用较为合适，而且无法给出整体结构的受损程度信息。

　　因此，人们试图通过对结构整体特性和响应(如变形、频率、相位、振型、阻尼与状态反应等)的测量和分析对结构损伤进行检测与评价，这就是整体检测法，它可以确定损伤存在的可疑区域和损伤程度。

　　整体检测法是一个结构分析的反问题，在已知结构响应和荷载作用，甚至只知道结构响应的情况下确定结构参数，并进一步预测结构性能。

　　1、混凝土结构现场检测方法

　　混凝土结构宏观性能试验方法是“试件试验”。

　　这类方法以试件破坏时的实测值，作为判断混凝土性能的依据较为直观，称为破损性实验。

　　由于试件中的混凝土与结构中的混凝土质量、受力状况及各种条件不可能完全一致，而且对于建筑结构的现场检测也不太适用。

　　20世纪30年代混凝土非破损检测方法发展起来了，如回弹法、超声脉冲法等在无损伤混凝土的条件下进行现场检测。

　　1.1回弹法

　　回弹法是用回弹仪弹击混凝土表面，由仪器重锤回弹能量的变化，反映混凝土的弹性和塑性性质，测量混凝土的表面硬度推算抗压强度，是混凝土结构现场检测中常用的一种非破损试验方法，我国已编制了规范。

　　回弹法的主要优点是：仪器构造简单，方法易于掌握，检测效率高，费用低廉，影响因素较少，但还存在一定不足：回弹值受碳化深度、测试角度的影响，石子种类对其也有影响，要对回弹值进行不同的修正，对存在有质量疑问区域的混凝土，需用其它方法进行进一步检测。

　　1.2超声脉冲法

　　用超声脉冲法检测混凝土强度是测试超声波在混凝土中的传播参数，找出混凝土抗压强度与这些参数的关系，确定其抗压强度。

　　混凝土是各向异性的多相复合材料，内部存在广泛分布的砂浆与骨料的界面和各种缺陷，使超声波在混凝土中的传播要比在均匀介质中复杂得多，产生反射、折射和散射现象，并出现较大衰减，因此超声脉冲法检测混凝土强度虽然能够检测出混凝土内部存在的问题，但是对测试仪器、换能器与混凝土的强度和超声传播声速间的定量关系受到混凝土的原材料性质及配合比的`影响;测试试件的温度和含水率的影响等，只有综合考虑各种因素和条件，建立高拟合度的专门曲线，使用时才能得到比较满意的精度。

　　1.3超声回弹综合法

　　超声回弹综合法是建立在超声传播和回弹值与混凝土抗压强度之间相互关系上，以声速和回弹值来综合反映混凝土抗压强度的一种非破损检测方法。

　　超声回弹综合法在一定程度上克服了以单一指标评定混凝土强度的不足，它把石子和测试面的影响，从检测结果中加以修正，对于多指标综合，能较全面地反映与混凝土强度有关的各种要素的作用，提高了测试精度。

　　2、砌体结构的现场检测方法

　　砌体结构主要指砖砌体，砌体强度是由砖块和砂浆强度或施工时制做的砌体试块强度来决定的，传统的检测方法是直接从砌体结构上截取试样，进行抗压强度试验而砌体结构的特点导致取样存在较大难度，取样时的扰动又会对试样产生较大损伤，从而影响试验结果。

　　因此，砌体结构的现场原位非破损或半破损试验方法理所当然地受到重视，并广泛开展研究和工程实际应用。

　　2.1砌体强度的间接测定法

　　砌体强度与砂浆和砖块强度有直接关系。

　　由砂浆和砖块强度等级可确定砌体的抗压强度，间接测定法就是使用专门的仪器和专门的测试方法，测量砂浆和砖块的某一项强度指标或与材料强度有关的某―项物理参数，并由此间接测定砌体强度。

　　2.1.1冲击法。

　　依据物体破碎时所消耗的功与破碎过程中新产生表面积成正比的基本原理、由事先建立的单位功表面积增量和抗压强度之间的经验公式，求得砂浆或砖块试样的强度。

　　2.1.2回弹法。

　　检测砖块和砂浆强度的基本原理与混凝土强度检测的回弹法相同，只是采用专门的砂浆回弹仪，因为砖的表面硬度与强度有良好的相关性，所以，此法精度高，且简单、适用。

　　2.1.3推出法。

　　推出法又称顶推法、剪法，具体称单砖单剪法。

　　即把一单砖的顶面、两侧面砂浆清除，只留底面，用特制的小千斤顶将其“顶出”，在极限状态时，测得砖与砂浆的粘接抗剪强度，并根据抗剪强度与抗压强度的关系，推出抗压强度。

　　2.2砌体强度直接测定法

　　2.2.1抽样检测法。

　　主要包括切割法与取芯法，切割法切割的试件宠大，搬运过程中扰动大，造成试验结果的离散性大，耗费大量的人力、财力，只限于庞大砌体工程质量事故处理及对其它方法的校准。

　　取芯法是对芯样作抗压和抗剪试验，对砌体扰动也很大，其试验结果不太一致。

　　2.2.2原位检测法。

　　主要包括扁顶法、原位轴压法和原位剪切法。

　　扁顶法是采用扁式液压测力器装入开挖的砌体灰缝中进行砌体强度的原位检测方法，它较好地克服了取样法的不足，但设备复杂，允许的极限应变较小，铡定砌体的极限强度受到限制。

　　原位轴压法是对扁顶法的改进，其原理与其一致，测定砌体的极限抗压强度。

　　推算其标准抗压强度，缺点是设备较沉重，使用不便，原位剪切法是在墙体上直接测试砌体通缝的抗剪强度。

　　由于对测试部位有限制，使其应用有一定的局限性。

　　2.2.3动测综合法。

　　动测综合法是振动反演理论在工程上的应用。

　　在脉动、起振机共振、自由释放或冲击等激振方式的作用下，通过测量砌体结构的频率和振型等参数，根据系统识别理论得到层间刚度，推算出各层砌体轴心抗压强度，此法从房屋整体出发，不仅能得到砌体的强度，鉴定房屋的质量，便于对房屋进行安全性评定，随着检测仪器技术的改进，算法的优选，结果的精度不断提高，很有发展前途。

　　2.2.4微观结构法。

　　声、渡、射线等在材料中传播时，会因材料的微观结构的判别而不同，由此可推断出材料的强度。

　　我国在砌体房屋检测的方法有应力波法和超声波法。

　　应力波法测低强和高强砂浆砌体时，精度不高，超声波法由干影响因素较多，测试结果不理想，有待进一步提高。

　　3、结论

　　结构现场检测技术对工程质量事故的检测、处理方面，具有重大的应用价值，从国内外的发展状况来看，该项技术涉及到多个学科的应用技术，应进一步研究、完善，应从以下几个方面来努力，创新：

　　3.1新参数、新性能指标的测试。

　　随着材料科学的发展，许多新材料被工程所应用，建筑结构设计的不断改进，一些新的参数和新的性能指标能够说明新材料和新结构的可靠性，需要不断研究这些参数指标的测试方法，为工程实践服务，是当前测试技术发展的趋势。

　　3.2新思想的引入、对数学模型的创新和改善。

　　在建筑结构检测方法的研究中，引入新思想，不仅要考虑宏观力学，还要考虑微观力学，深入全面地看问题。

　　已有的检测方法中用到的经验公式有―定的局限性、在新的数学模型建立时，应更加注意其边界条件，扩大使用范围，提高拟合程度。

　　参考文献