土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷探析

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摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土木工程的發(fā)展逐漸得到人們的廣泛關(guān)注，其中，土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷更是得到相關(guān)學(xué)者的高度重視。簡要分析了結(jié)構(gòu)損傷識別診斷在土木工程結(jié)構(gòu)中扮演不可或缺的角色，以及國內(nèi)外損傷識別與診斷方法現(xiàn)狀，并深入研究了用于土木工程結(jié)構(gòu)的各種損傷識別與診斷方法，最后提出了土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷方法及其相應(yīng)的發(fā)展方向。旨在有效的幫助開展土木工程相關(guān)工作，更好地為人們服務(wù)。

關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu);損傷識別；損傷診斷

由于近些年來，相關(guān)的國內(nèi)外學(xué)者借助于模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬等方法，進(jìn)而針對土木工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行了細(xì)致的分析與探討，也取得了有價值的科研成果以及一定程度的研究進(jìn)展。除此之外，針對土木工程自身的結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而準(zhǔn)確的評價受到損傷結(jié)構(gòu)的可靠性以及損傷特性，由此一來，能夠很好的對土木工程結(jié)構(gòu)的損傷情況與修繕情況做出正確的判斷，與此同時，這些問題也是現(xiàn)階段土木工程結(jié)構(gòu)即將面臨的重要課題。當(dāng)前，針對土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷方面的諸多亟待解決的難題，本文提出了幾種有效的解決辦法，與此同時，這幾種解決方法的應(yīng)用越來越廣泛?？傊?，針對受損土木工程結(jié)構(gòu)做出正確的診斷以及識別，是解決此類問題的重點(diǎn)。與此同時，針對可能出現(xiàn)的損傷特性進(jìn)行深入研究以及分析，并將其受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全度評估，已經(jīng)逐漸成為土木工程結(jié)構(gòu)探討的一個全新的領(lǐng)域。

1國內(nèi)外損傷識別與診斷方法現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。人們很早就開始針對齒輪以及連桿等一系列零件組成的大型機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)的故障診斷。直到上世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)得到不斷的發(fā)展。上世紀(jì)末開始，人工智能、信息技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的知識，逐漸被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)損傷檢測與診斷領(lǐng)域。隨著一系列的技術(shù)不斷的創(chuàng)新與應(yīng)用，使得土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷分析變的簡便與準(zhǔn)確。目前，針對土木工程結(jié)構(gòu)來說，在建筑物建成初期的出現(xiàn)損傷頻率相對不高，且其危害程度遠(yuǎn)不如機(jī)械工程，與此同時，能夠在一定程度上允許帶損傷工作，因此，相比之下，土木工程的結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)不夠成熟，很大一部分技術(shù)處于結(jié)構(gòu)可靠性評估階段。眾所周知，上世紀(jì)初期是土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測探索階段，其工作重點(diǎn)是針對結(jié)構(gòu)缺陷的修理方法以及分析的探討。到了上世紀(jì)中期就是結(jié)構(gòu)損傷檢測診斷的發(fā)展階段，其工作重點(diǎn)是針對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測方法的探討，與此同時，出現(xiàn)了物理檢測、無損檢測以及有損檢測等檢測方法。上世紀(jì)后期以來，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測診斷技術(shù)趨于成熟，并相應(yīng)的制定了標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，與此同時，強(qiáng)調(diào)了綜合評價，以至于土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識別與診斷工作，逐漸朝著智能化的方向發(fā)展。眾所周知，現(xiàn)階段我國的土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷仍處于起步階段，發(fā)展時間較短，只是隨著抗風(fēng)研究以及結(jié)構(gòu)抗震的不斷發(fā)展，才不斷基于安全鑒定以及可靠性評估進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測診斷領(lǐng)域的分析?，F(xiàn)階段，經(jīng)過國內(nèi)外許多相關(guān)學(xué)者逐漸借助于可行的方法，繼而針對土木工程結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行診斷以及識別。眾所周知，最近幾十年以來，國內(nèi)外已經(jīng)逐漸在結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷技術(shù)領(lǐng)域開展了嚴(yán)密的分析。像Kunihiko等借助于有限元計算模型產(chǎn)生的樣本訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而明確的識別已知相應(yīng)的條件下結(jié)構(gòu)的損傷程度以及狀態(tài);Mannan等深入研究了用實(shí)測結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)來診斷損傷。Yu等借助于動力反應(yīng)研究的相關(guān)方法，并進(jìn)一步借助于攝動理論的特征值來檢測結(jié)構(gòu)的損傷。Chen等借助于人工免疫模式識別結(jié)構(gòu)損傷，并針對損傷的厲害程度進(jìn)行相應(yīng)的分類。Xie將SVM用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的損傷識別中，分析結(jié)果顯示支持向量機(jī)方法具有較高的識別精度。Leonardo等借助于變分方法評估大型空間結(jié)構(gòu)的損傷。Curadelli等借助于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別，對結(jié)構(gòu)阻尼的測試。

2結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷方法

通常情況下，結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷工作大致分為以下幾個階段:預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命;確定結(jié)構(gòu)損傷的程度;確定結(jié)構(gòu)損傷的位置;確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷。一般的，借助于結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷方法運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及測試技術(shù)進(jìn)行整體檢測。其在很大程度上是基于結(jié)構(gòu)的損傷以及整體失穩(wěn)的發(fā)生都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動力性能的變化，并借助于固有頻率降低以及診斷結(jié)構(gòu)剛度減小等，從而進(jìn)一步準(zhǔn)確的判斷結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際狀況。

2.1局部檢測技術(shù)

通常情況下，局部檢測技術(shù)主要包括射線法、聲發(fā)射法、目測法、回彈法、脈沖回波法以及發(fā)射光譜法等。一般的，上述的這些技術(shù)能夠用來準(zhǔn)確的檢查相應(yīng)部件的裂縫位置。與此同時，在整個結(jié)構(gòu)檢測的過程中，通常借助于以下幾種技術(shù)，并結(jié)合使用來共同識別結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)?？傊?，其檢測方法通常情況下有以下幾種:射線檢測技術(shù)，即利用射線對結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行相應(yīng)的檢測，從而識別結(jié)構(gòu)缺陷的位置以及形狀，進(jìn)而可以準(zhǔn)確的判斷出結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際情況；超聲波檢測技術(shù)，借助于脈沖波自身通過不同種類的介質(zhì)能夠產(chǎn)生反射的特性，與此同時，參照波在不同的介質(zhì)材料中，相應(yīng)的衰減程度不盡相同，由此能夠針對材料中的不同種類的缺陷進(jìn)行識別;聲發(fā)射法，即用發(fā)射器將發(fā)射的彈性波信號轉(zhuǎn)換為電信號，并把電信號經(jīng)過處理之后得到相應(yīng)的特征參數(shù)，由此一來，能夠在一定程度上推測結(jié)構(gòu)材料缺陷的位置。

2.2整體檢測技術(shù)

2.2.1動力特性識別法

眾所周知，大綱結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷之后，其剛度以及質(zhì)量等參數(shù)會在一定程度上發(fā)生改變，進(jìn)而極大的影響其自身的動力特性發(fā)生相應(yīng)的變化。與此同時，動力自身特性的改變能夠在一定程度上當(dāng)作結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的標(biāo)志，并以此標(biāo)志識別結(jié)構(gòu)的損傷，并準(zhǔn)確的診斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。

2.2.2模型修正與系統(tǒng)識別技術(shù)

現(xiàn)階段，系統(tǒng)識別法以及模型修正法是借助于模型構(gòu)造優(yōu)化約束條件以及動力測試方法，并且在一定程度上修正結(jié)構(gòu)的阻尼、剛度以及質(zhì)量等特性，以至于其測試獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本等于最大響應(yīng)，并逐漸將修正后的基線模型矩陣以及模型矩陣進(jìn)行比較，以此完成針對結(jié)構(gòu)損傷的識別與診斷。與此同時，該方法在處理子結(jié)構(gòu)模型以及劃分結(jié)構(gòu)單元上具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)闇y試參數(shù)不敏感、測量噪聲強(qiáng)與模型誤差大等因素，也使的該方法在結(jié)構(gòu)損傷診斷過程中受到了一定的約束。除此之外，現(xiàn)階段模態(tài)試驗(yàn)測得的模態(tài)信息還不夠成熟和完備，因此，在很大程度上引起了特征方程求解中的不是很穩(wěn)定。

2.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是借助于模擬人體神經(jīng)機(jī)理，進(jìn)而進(jìn)行分析與研究客觀事物的方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼具自我學(xué)習(xí)功能以及計算機(jī)并行計算能力，與此同時，該技術(shù)還具有強(qiáng)大的容錯性，并且善于擴(kuò)散、綜合以及聯(lián)想，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的墨水識別能夠很好的解決模式損失以及高噪聲等問題，使其已經(jīng)成為了一項(xiàng)土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別與診斷的有效工具。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理是借助于研究結(jié)構(gòu)在各種不同狀態(tài)下的相應(yīng)反應(yīng)，從而相應(yīng)的提取出結(jié)構(gòu)的特征值，進(jìn)而以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量當(dāng)作結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)，再相應(yīng)的輸出結(jié)構(gòu)的不同損傷狀態(tài)，并逐漸有序的建立起輸出損傷狀態(tài)以及輸入?yún)?shù)之間的特征關(guān)系，與此同時，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著模式分類能力，能夠在一定程度上反映出結(jié)構(gòu)損傷的模式。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自身特性決定其具備強(qiáng)非線性的映射能力，從而極大的適合于非線性模式分類以及識別，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模型修正法相比，前者的適用范圍更加廣泛。

2.2.4遺傳算法技術(shù)

上世紀(jì)中期，提出了遺傳算法技術(shù)，該方法在一定程度上是參照達(dá)爾文進(jìn)化論中優(yōu)勝劣汰，適者生存的原則，從而找尋其中的最優(yōu)者，與此同時，能夠用此方法進(jìn)一步得到滿足要求的最優(yōu)解。通常情況下，遺傳算法不需要借助于連續(xù)性的信息，一般的，只需要計算各目標(biāo)解，并借助于共同搜索多個線索的方式，從而對目標(biāo)解進(jìn)行優(yōu)化，總之，遺傳方法適用性強(qiáng)，且操作簡單。因此，能夠在信息量相對較少的情況下，從而借助于遺傳算法來判定結(jié)構(gòu)損傷程度以及位置，就算是結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息偶爾丟失了，借助于遺傳算法也會發(fā)揮其損傷診斷以及識別能力，進(jìn)而不會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

結(jié)束語

總之，土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷分析已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注，也取得了一定研究成果。但我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識到，現(xiàn)階段我國針對土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷問題仍處于起步階段，其發(fā)展進(jìn)程任重道遠(yuǎn)，需要我們不斷的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。通常情況下，針對整個在使用過程中各種復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的損傷識別與診斷，必須進(jìn)一步分析與研究諸多問題。現(xiàn)階段，針對工程結(jié)構(gòu)的損傷識別與診斷的發(fā)展方向主要有以下幾個方面:必須借助于非線性的損傷檢測技術(shù)，仔細(xì)分析工程結(jié)構(gòu)的非線性的程度，并借助于不同強(qiáng)弱程度的非線性進(jìn)行研究與探討；與此同時，選擇的特征量一定要敏感而且可以準(zhǔn)確測量，進(jìn)而發(fā)展更為適用以及可靠的損傷判別指標(biāo)，從而有助于結(jié)構(gòu)損傷判定；因?yàn)檫z傳算法技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理以及非線性識別等方面的優(yōu)勢，所以，可以預(yù)見的是這兩種技術(shù)在結(jié)構(gòu)的損傷識別和診斷方面具有相對較好的應(yīng)用前景；因?yàn)橄鄳?yīng)的損傷識別與診斷在工程結(jié)構(gòu)上的實(shí)際應(yīng)用不多，有必要對識別與檢測方法進(jìn)行驗(yàn)證，對不同的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種損傷試驗(yàn)，以至于使得這些方法得到廣泛應(yīng)用。基于對土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的幾種技術(shù)分析與研究，使得土木工程正向著有條不紊的方向發(fā)展。與此同時，我國的相關(guān)學(xué)者應(yīng)該加大相關(guān)的分析與研究的力度，相關(guān)政府部門也要給予相應(yīng)的資金資助，一些開設(shè)土木工程課程的高校也要加大重視程度，共同為土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷提供便利條件以及以后的發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。本文通過深入探討土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷，旨在讓人們直觀的認(rèn)識到土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的本質(zhì)，以至于加快發(fā)展土木工程結(jié)構(gòu)損傷斷的力度，更好地為人們生活的健康和舒適服務(wù)。

作者：黃朝陽 單位：西京學(xué)院