土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究進(jìn)展

陳儷丹

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，一些建筑物林立而起，但是隨著時(shí)間的推移，這些建筑物可能出現(xiàn)不同程度的結(jié)構(gòu)損傷，建筑物一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，將會(huì)對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，因此對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷就顯得尤為重要。本文將主要闡述土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷常用的方法，以及探討損傷診斷未來的研究趨勢(shì)。

土木工程結(jié)構(gòu)損傷主要是指土木工程原有形態(tài)被破壞，在物理空間具體表現(xiàn)為剛度降低、柔度增大，在模擬空間具體表現(xiàn)為固有頻率降低。土木工程結(jié)構(gòu)損傷會(huì)威脅到人們的人身安全，而土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷方法主要是對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而幫助人們準(zhǔn)確掌握土木工程的狀態(tài)。由于社會(huì)發(fā)展對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的需要越來越高，土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究是目前結(jié)構(gòu)工程學(xué)科中非?；钴S的研究領(lǐng)域，想必土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究在未來有著廣闊的發(fā)展前景。

1土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷常用的方法

1.1基于固有頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法

基于固有頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法是一種理想模型法，頻率改變量是這個(gè)診斷方法的關(guān)鍵，由于固有頻率具有較高的識(shí)別精度，并且很容易獲得，因此這個(gè)診斷方法應(yīng)用的比較普遍。這種診斷方法首先要根據(jù)理論模型假設(shè)結(jié)構(gòu)可能有一組損傷位置的方案，并且計(jì)算每個(gè)理論方案對(duì)應(yīng)的任意二個(gè)頻率變化量之比，然后計(jì)算實(shí)驗(yàn)測(cè)量的任意二個(gè)頻率改變量之比，第三步需要將理論值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，找出和實(shí)際測(cè)量最為接近的值，那么該值對(duì)應(yīng)的損傷方案就是實(shí)際結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，最終就可以得到實(shí)際結(jié)構(gòu)的損傷位置。

1.2基于振型變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法

基于振型變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法主要兩種，分別是振型曲率法和振型變化圖形法。土木工程結(jié)構(gòu)如果發(fā)生損傷，那么破壞處的剛度將會(huì)降低，曲率將會(huì)增大，而振型曲率的變化會(huì)隨著曲率的增大而增大，從而根據(jù)振型速率的變化就可以確定發(fā)生損傷的位置。振型變化圖形法是以振型相對(duì)變化量為參數(shù)，振型相對(duì)變化量是指損傷前后的振型差值與損傷前振型的比值，然后利用振型相對(duì)變化圖就可以基本確定損傷的位置。

1.3基于柔度變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法

基于柔度變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法是通過計(jì)算損傷前后二個(gè)柔度矩陣的差值矩陣，然后計(jì)算出柔度矩陣中各列的最大元素，最后通過檢查最大元素的位置就可以確定損傷的位置。柔度矩陣在滿足歸一化條件下，它是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù)，由于頻率越大，柔度矩陣中高頻率倒數(shù)的影響可以忽略不計(jì)，因此可以通過測(cè)量低頻率就可以獲得精度就好的矩陣。

1.4基于剛度變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法

土木工程結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，剛度會(huì)降低，因此可以采用基于剛度變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法來確定發(fā)生損傷的位置，但是剛度發(fā)生顯著變化往往發(fā)生在一些較大的結(jié)構(gòu)損傷中，一些較小的結(jié)構(gòu)損傷不會(huì)發(fā)生明顯的剛度變化，因此當(dāng)發(fā)生微小的結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，不能采用基于剛度變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法來確定發(fā)生損傷的具體位置。

1.5基于頻響函數(shù)變化的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法

頻響函數(shù)的變化完全是由損傷的位置和類型決定，因此我們可以利用頻響函數(shù)的變化對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行診斷，雖然頻響函數(shù)包括非常大的信息量，但是我們?cè)谠\斷過程中往往只需要頻響函數(shù)的一列數(shù)據(jù)。有的研究人員利用的傳遞函數(shù)識(shí)別損傷的方法，也叫作頻響函數(shù)曲率法，這種診斷方法不僅受噪音的影響很低，而且診斷出的結(jié)果比較準(zhǔn)確。有的研究人員是利用頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和有限元模型進(jìn)行損傷位置的確定，這種方法需要研究人員假設(shè)出所有產(chǎn)生損傷的情況。

2土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷研究展望

2.1識(shí)別小損傷的研究

土木工程結(jié)構(gòu)發(fā)生大損傷時(shí)，剛度、柔度、頻響函數(shù)等參數(shù)都會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此采用合理的診斷方法就可以確定損傷位置和類型，但是有時(shí)候土木工程發(fā)生的損傷都是小損傷，這時(shí)小損傷對(duì)系統(tǒng)參數(shù)影響較小，因此有許多診斷方法無法準(zhǔn)確地診斷出土木工程結(jié)構(gòu)損傷的具體情況。土木工程結(jié)構(gòu)小損傷具有很強(qiáng)的不確定性和發(fā)展性，小損傷在很短的時(shí)間內(nèi)可能發(fā)展為大損傷，并且小損傷對(duì)整體參數(shù)影響不大，但是對(duì)局部影響較大，因此識(shí)別小損傷將是未來土木工程結(jié)構(gòu)損傷重要的研究方向。

2.2傳感器優(yōu)化布置的研究

傳感器是土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷過程中必不可少的一部分，傳感器的主要作用是測(cè)量外部環(huán)境的變化，然后將對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行綜合的處理和分析。損傷診斷的準(zhǔn)確性不僅受傳感器的精度的影響，而且受傳感器數(shù)量的影響，診斷人員要想準(zhǔn)確地判斷出發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的位置，必須通過傳感器獲取更多的信息和數(shù)據(jù)，但是在獲取信息的過程中會(huì)花費(fèi)大量的成本，因此傳感器的數(shù)量最優(yōu)化和布置最優(yōu)化也是未來土木工程結(jié)構(gòu)損傷研究的重要方向。

2.3結(jié)構(gòu)損傷診斷方法的研究

就目前來看，大型建筑具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且有著自身的特點(diǎn)，它包含著機(jī)械工程、建筑工程、材料工程等多個(gè)方面的知識(shí)，動(dòng)力學(xué)方法已經(jīng)不能夠滿足社會(huì)發(fā)展的要求，因此將振動(dòng)理論和信號(hào)處理、人工智能、模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)合起來將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)出土木工程結(jié)構(gòu)的具體狀況，避免給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來威脅，在線損傷診斷方法也是未來重要的研究方向。另外，分類法將會(huì)在未來土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷過程中應(yīng)用的越來越廣泛，分類法是將結(jié)構(gòu)類型和損傷特征按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，然后再用診斷的方法量化損傷特征，從而達(dá)到提高診斷準(zhǔn)確性和提高診斷效率的目的。

綜上所述，土木工程結(jié)構(gòu)不僅關(guān)系到建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)安全，而且關(guān)系到國(guó)家和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)安全。土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)不僅可以提高土木工程的安全性能，而且可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)方案審查、工程質(zhì)量鑒定、工程重建、工程維護(hù)等各個(gè)方面，因此可以說土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)研究具有非常重要的意義。在未來，土木工程結(jié)構(gòu)損傷研究將會(huì)朝著小損傷研究、傳感器的優(yōu)化布置、診斷方法等方面展開，從而確保土木工程結(jié)構(gòu)的安全。