土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究進(jìn)展

摘 要：在中國(guó)步入了21世紀(jì)之后，各個(gè)城市中的各種建筑如雨后春筍般拔地而起，一步一步走向國(guó)際化。隨著居住房屋、建筑工業(yè)廠房、道路橋梁以及基本建筑逐漸更新，逐漸發(fā)展進(jìn)步的建筑模式成為了社會(huì)建設(shè)工程大力發(fā)展的目標(biāo)。如何正確分析壞損建筑結(jié)構(gòu)，成為了本文的研究對(duì)象。所以，如何分析損傷建筑和正確實(shí)施工程，減少事故的發(fā)生，已經(jīng)成為了土木工程學(xué)發(fā)展的重要研究目標(biāo)。更好的分析出土木工程中結(jié)構(gòu)損傷的問題，能更好的帶動(dòng)建筑工程的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)損傷；診斷研究

中圖分類號(hào)： TU361 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）10-0202-01

前言

就土木工程本身而言，其結(jié)構(gòu)中的不確定性因素很多，大大高于航天工程和機(jī)械工程，因其建筑規(guī)模比航天、機(jī)械工程要小很多，這就導(dǎo)致了其質(zhì)量不夠大、振動(dòng)頻率及振幅較高，再加上自然環(huán)境對(duì)其的影響較大，土木工程結(jié)構(gòu)沒有損傷那是不切實(shí)際的，所以需要加大檢測(cè)的力度與次數(shù)，來預(yù)防土木工程的損傷及對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。目前，以目測(cè)檢測(cè)、超聲波和X射線檢測(cè)，都無法真正意義上的檢測(cè)整個(gè)土木工程結(jié)構(gòu)，只能檢測(cè)部分結(jié)構(gòu)中的受損狀況，無法完全預(yù)報(bào)因其結(jié)構(gòu)的損傷而導(dǎo)致的整體土木建筑結(jié)構(gòu)的性能退化。

1 土木工程結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法

1.1 利用動(dòng)力參數(shù)診斷

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)中的損傷檢測(cè)與健康檢測(cè)來說，其目的不僅僅是檢測(cè)出損傷處的存在，還要能夠標(biāo)明損傷位置以及表象出損傷處的具體信息。因此，我們需要將觀察檢測(cè)到的具體動(dòng)力學(xué)參數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)進(jìn)行比較，利用頻率、振型、傳遞函數(shù)、功率函數(shù)、MAC、COMAC、ETR等參數(shù)來進(jìn)行比較，并判斷在這些動(dòng)力參數(shù)中，哪一個(gè)是最有可能發(fā)生變化的真實(shí)狀況，并加以確定。

以一個(gè)真正存在于現(xiàn)實(shí)中的土木工程結(jié)構(gòu)而言，是無法用一個(gè)或幾個(gè)動(dòng)詞參數(shù)的比對(duì)進(jìn)行損傷為止的診斷的。直到目前為止，人們還不能夠很好的利用動(dòng)力參數(shù)診斷法來進(jìn)行土木工程的損傷診斷，這一切都是建立在理論可行的基礎(chǔ)上而提出的假設(shè)，雖然也在實(shí)際工程中運(yùn)用過此療（方）法，但動(dòng)力參數(shù)法的表現(xiàn)卻是不太理想的。頻率的測(cè)量在一個(gè)實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)中是比較準(zhǔn)確的，但是這種方法測(cè)量出來的數(shù)據(jù)，其對(duì)于損傷處的敏感性不大，無法完全驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否損傷；振型對(duì)于局部的損傷很敏感，但是卻難以準(zhǔn)確測(cè)量。就目前的動(dòng)力參數(shù)診斷法而言，或許還需要進(jìn)一步的科學(xué)研究，并進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，找到更敏感、更好測(cè)量動(dòng)力學(xué)參數(shù)，才可以對(duì)（為）土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷做出更好的貢獻(xiàn)。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

統(tǒng)計(jì)學(xué)中的框架內(nèi)模板修正對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷與大型土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)理來說是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。根?jù)現(xiàn)有的參數(shù)診斷方法來講，很多的參數(shù)都不是很準(zhǔn)確，尤其是在實(shí)際土木工程結(jié)構(gòu)中，受到環(huán)境、人為因素、以及地理因素的影響，參數(shù)的準(zhǔn)確性更是大大的下降，參數(shù)診斷法只適用于理論學(xué)說。統(tǒng)計(jì)分析方法是從統(tǒng)計(jì)的角度，考慮特征參數(shù)的不確定性及其統(tǒng)計(jì)分布特征，可利用相關(guān)的隨機(jī)有限元模型分析研究特征值問題，從而評(píng)估損傷，或利用譜密度估計(jì)的統(tǒng)計(jì)特性來獲得模態(tài)參數(shù)的修正概率密度函數(shù)表達(dá)式來分析損傷等，包括廣義的貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法、規(guī)則化方法、模糊邏輯法等。就目前來講，對(duì)于這種診斷方法的研究還比較少，但是就目前的理論而言這種方法于土木工程結(jié)構(gòu)損傷的診斷有著很不錯(cuò)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 系統(tǒng)的識(shí)別與模型的修正

系統(tǒng)識(shí)別（SI）是建立在輸入和輸出的基礎(chǔ)上，建立和修正一個(gè)系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的過程。傳統(tǒng)的系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)，如卡爾曼濾波（KF）、擴(kuò)展的卡爾曼濾波（EKF）、最小二乘法、最大可能性方法等都可以用于損傷檢測(cè)。 其中方法很多，但是基本上都是在上述幾種算法的基礎(chǔ)上求解，并選取最有解。但隨著系統(tǒng)內(nèi)部的未知數(shù)不斷的增加，計(jì)算的難度也大大的增加了，使得收斂變得非常的困難。運(yùn)用隨機(jī)搜索方式來進(jìn)行全范圍的搜索，無疑是一種耗時(shí)耗力的做法，所以，采用一種改進(jìn)的算法是值得嘗試的。在土木工程結(jié)構(gòu)中，大型結(jié)構(gòu)被稱為系統(tǒng)，而識(shí)別則是通過各種測(cè)量得出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特征，在過去的10a中，模型的模態(tài)分析與模態(tài)實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)得到了認(rèn)可并廣泛的應(yīng)用于土木工程學(xué)中。結(jié)構(gòu)中的輸出值，是利用結(jié)構(gòu)中各個(gè)傳感器所反饋得來的信息而定，而輸入?yún)s是不能夠通過測(cè)量得來。各種模態(tài)的數(shù)量很少，不僅僅是因?yàn)橛?jì)算中工作的壓力，還因?yàn)楦叽螖?shù)的修正問題內(nèi)在的病態(tài)和統(tǒng)計(jì)偏差。因?yàn)楦鞣N局限性，選擇最能反映結(jié)構(gòu)損傷的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是很重要的。

3 傳感器在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的優(yōu)化設(shè)置

傳感器是目前為止經(jīng)常使用到的一種測(cè)量工具，通過傳感器可以第一時(shí)間收集到測(cè)量出來的準(zhǔn)確信息，對(duì)于各種參數(shù)的收集與分析來講，傳感器是必不可少的測(cè)量工具。在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，對(duì)傳感器有著很高的要求，不僅僅是對(duì)于傳感器的靈敏度、參數(shù)精確度、信息反饋速度、信息反饋量等常規(guī)問題有較高的要求，對(duì)于傳感器在建筑結(jié)構(gòu)中的分布為止與分布量也是有著較高的要求的。對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷和健康監(jiān)測(cè)來講，獲得越多的參數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別就越容易，但不能一味的增加數(shù)量，這對(duì)于資金的需求量是非常高的。所以，選取性能最優(yōu)的傳感器，安裝在結(jié)構(gòu)中最恰當(dāng)?shù)奈恢?，是非常重要的，傳感器的布置必須是最?yōu)或是接近最優(yōu)的。

4 結(jié)語

對(duì)于土木工程結(jié)構(gòu)而言，分析診斷和正確檢測(cè)成為了研究發(fā)展的重點(diǎn)項(xiàng)目，因其本身具有的不確定性，直接導(dǎo)致了土木工程結(jié)構(gòu)損傷的診斷結(jié)果，這其中包括了環(huán)境的不確定性、診斷人的經(jīng)驗(yàn)、材料的質(zhì)量等等。這些問題都具有較高的隨機(jī)性、模糊性，這就導(dǎo)致了土木工程的損傷診斷難度大大增加，而且土木工程結(jié)構(gòu)的損傷大多分布在整個(gè)空間內(nèi)，也即是三維空間，我們無法透過一個(gè)損傷點(diǎn)來看這個(gè)損傷點(diǎn)后面的另一個(gè)，這就導(dǎo)致了診斷結(jié)果的誤差值，而建筑面積越大，其誤差就越大?？偟膩碚f，涂膜工程損傷診斷（文章之前沒具體提到此方法，突然在結(jié)尾出現(xiàn)此法）可以為土木工程帶來更高的安全性與更長(zhǎng)久的使用時(shí)間，但是，這一學(xué)科本身也有很大的難度。

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