淺談土木工程結(jié)構(gòu)損傷及其診斷方法

摘要：隨著我國(guó)城市化建設(shè)懂的不斷深化，我國(guó)建筑物在居民日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，因此，一旦土木工程出現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，其所造成的危害并不比特大型自然災(zāi)害小，必然造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，積極強(qiáng)化對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷的診斷工作，不僅可以提升損傷識(shí)別程度，還能通過(guò)診斷來(lái)詳細(xì)而全面的了解建筑物內(nèi)部的損傷情況，制定科學(xué)合理的修復(fù)方案。

關(guān)鍵詞：土木工程;結(jié)構(gòu)損傷;診斷方法

1土木工程機(jī)構(gòu)損傷的危害及損傷診斷概述

土木工程結(jié)構(gòu)是我國(guó)建筑物中最常用的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵擃惤Y(jié)構(gòu)形式在巨大的自然災(zāi)害中極易發(fā)生振動(dòng)，例如地震。然而，這類振動(dòng)往往也是風(fēng)險(xiǎn)和隱患發(fā)生的誘因，輕則造成結(jié)構(gòu)性的損傷，重則會(huì)引發(fā)工程出現(xiàn)安全問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題，屆時(shí)的損失將難以估計(jì)。因此，工程管理人員需要對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷的診斷進(jìn)行強(qiáng)化，避免土木工程結(jié)構(gòu)損傷所引發(fā)的事故造成經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的損失。在具體的施工診斷操作中，相關(guān)工程人員應(yīng)該通過(guò)檢查新舊建筑物以及工程的結(jié)構(gòu)來(lái)判斷其中是否存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的情況，以保證建筑物后期的施工安全和將來(lái)建筑物的作用。其次，結(jié)構(gòu)損傷診斷更能夠診斷和檢查出災(zāi)害后的建筑物狀況，對(duì)其所受的損傷進(jìn)行評(píng)級(jí)評(píng)估，方便后續(xù)的維修和重建工作。最后，對(duì)相對(duì)重要的建筑物或使用頻次較高、人數(shù)較多的建筑進(jìn)行周期性檢查和診斷，確保建筑物在使用過(guò)程中的安全和穩(wěn)定，避免出現(xiàn)突發(fā)狀況，對(duì)建筑物和人民群眾造成不可挽回的損失。除此之外，在加固工作的完成中需要依據(jù)結(jié)構(gòu)性損傷的診斷結(jié)果來(lái)對(duì)建筑物加固后的可靠度進(jìn)行判斷，這一可靠度也是目前用來(lái)評(píng)定建筑物安全性的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2土木結(jié)構(gòu)損傷及其診斷方法分析

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷工作大致分為以下幾個(gè)階段：預(yù)測(cè)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。一般借助于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷方法運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及測(cè)試技術(shù)進(jìn)行整體檢測(cè)。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(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)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(cè)技術(shù)

局部檢測(cè)技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)診斷過(guò)程中所使用的重要檢測(cè)技術(shù)，這一檢測(cè)技術(shù)又被稱為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要包括五種技術(shù)內(nèi)容，分別為滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)和射線檢測(cè)。局部檢測(cè)技術(shù)主要用來(lái)檢測(cè)和判斷建筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)主體的完整性，檢測(cè)其是否有裂縫和銜接是否牢固，并判斷其構(gòu)建連接是否準(zhǔn)確和堅(jiān)固。在實(shí)際診斷和檢測(cè)過(guò)程中，為保證診斷工作的效率和準(zhǔn)確通常采用將多種方法融合在一起的方式來(lái)作業(yè)，一方面，這能夠彌補(bǔ)一種檢測(cè)技術(shù)方法的漏洞，另一方面能夠全方位、高效率地對(duì)土木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。例如磁粉檢測(cè)通常用來(lái)檢測(cè)材料的密度均勻度和連續(xù)性，通過(guò)判斷材料吸附磁粉產(chǎn)生的磁痕來(lái)判斷建筑的位置、大小及損傷嚴(yán)重程度。射線檢測(cè)檢查是通過(guò)射線穿過(guò)不同材料所產(chǎn)生的不同程度的射線數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行診斷。超聲波在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射等熱點(diǎn)，通過(guò)整理和分析數(shù)據(jù)、熱點(diǎn)進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

2.2整體檢測(cè)技術(shù)

（1）模型修正與系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)

現(xiàn)階段，系統(tǒng)識(shí)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(dòng)力測(cè)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(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別與診斷。與此同時(shí)，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(cè)試參數(shù)不敏感、測(cè)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(guò)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(cè)得的模態(tài)信息還不夠成熟和完備。

（2）動(dòng)力指紋檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)力指紋檢測(cè)技術(shù)是將被檢測(cè)結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，以診斷出被檢測(cè)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題所在。如果被檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)有所不同，在自身動(dòng)力指紋上就會(huì)有所顯示，包括頻率、振型、應(yīng)變、柔度、功率譜、COMAC、MAC、頻響系數(shù)等數(shù)據(jù)，檢測(cè)人員通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行整理、分析，并結(jié)合其他精細(xì)的測(cè)量工具、方案來(lái)確定出土木結(jié)構(gòu)損傷的具體情況，由于其損傷情況較為復(fù)雜，造成損傷的原因也不止一項(xiàng)，在使用動(dòng)力指紋檢測(cè)技術(shù)過(guò)程中不能單單靠一種技術(shù)方法確定出所有原因和情況，盡量采用多種方法相結(jié)合的形式進(jìn)行診斷。

（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(jì)算機(jī)并行計(jì)算能力，與此同時(shí)，該技術(shù)還具有強(qiáng)大的容錯(cuò)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(shí)別能夠很好的解決模式損失以及高噪聲等問(wèn)題，使其已經(jīng)成為了一項(xiàng)土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)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(shí)，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(shí)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。

（4）遺傳算法

首先要對(duì)各類的參數(shù)和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性的抓取和選呢，然后選擇最合適的方案來(lái)完成診斷。遺傳算法的優(yōu)勢(shì)在于其可以在信息匱乏的條件進(jìn)行損傷是否存在、損傷大致位置以及程度等信息的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)了模態(tài)信息不全問(wèn)題的有效應(yīng)對(duì)，發(fā)揮出擇優(yōu)方案的能力。

3結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)工程質(zhì)量事故的檢測(cè)、處理方面，具有重大的應(yīng)用價(jià)值，新參數(shù)、新性能指標(biāo)的測(cè)試，新思想的引入、對(duì)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新和改善是創(chuàng)新的特點(diǎn)之處。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，許多新材料被工程所應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，一些新的參數(shù)和新的性能指標(biāo)能夠說(shuō)明新材料和新結(jié)構(gòu)的可靠性，需要不斷研究這些參數(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法，為工程實(shí)踐服務(wù)，是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：尹作正（1970年04月-）男，本科，主要從事土木工程工作。