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、理論分析以及數(shù)值模擬等方法，進而針對土木工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進行了細致的分析與探討，也取得了有價值的科研成果以及一定程度的研究進展。除此之外，針對土木工程自身的結(jié)構(gòu)特性，進而準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槍κ軗p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。與此同時，針對可能出現(xiàn)的損傷特性進行深入研究以及分析，并將其受損結(jié)構(gòu)進行安全度評估，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械進行結(jié)構(gòu)的故障診斷。直到上世紀中葉，結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)得到不斷的發(fā)展。上世紀末開始，人工智能、信息技術(shù)以及計算機技術(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，且其危害程度遠不如機械工程，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，上世紀初期是土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測探索階段，其工作重點是針對結(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)的制定了標準與規(guī)范，與此同時，強調(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用數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及測試技術(shù)進行整體檢測。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，從而進一步準確的判斷結(jié)構(gòu)損傷的實際狀況。

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)。總之，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，進而可以準確的判斷出結(jié)構(gòu)損傷的實際情況；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)生的標志，并以此標志識別結(jié)構(gòu)的損傷，并準確的診斷結(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，但因為測試參數(shù)不敏感、測量噪聲強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)機理，進而進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)功能以及計算機并行計算能力，與此同時，該技術(shù)還具有強大的容錯性，并且善于擴散、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爾文進化論中優(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，只需要計算各目標解，并借助于共同搜索多個線索的方式，從而對目標解進行優(yōu)化，總之，遺傳方法適用性強，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)展進程任重道遠，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)，仔細分析工程結(jié)構(gòu)的非線性的程度，并借助于不同強弱程度的非線性進行研究與探討；與此同時，選擇的特征量一定要敏感而且可以準確測量，進而發(fā)展更為適用以及可靠的損傷判別指標，從而有助于結(jié)構(gòu)損傷判定；因為遺傳算法技術(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；因為相應(yīng)的損傷識別與診斷在工程結(jié)構(gòu)上的實際應(yīng)用不多，有必要對識別與檢測方法進行驗證，對不同的工程結(jié)構(gòu)進行各種損傷試驗，以至于使得這些方法得到廣泛應(yīng)用?；趯ν聊竟こ探Y(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