關于土木工程中的結構損傷斷定問題研究

摘要：在長時間的使用下，土木工程結構由于環境的變化、結構被腐蝕、材料老化、長期承載等因素導致了使用功能的退化。因此關于土木工程中的結構損傷斷定問題已經在近些內引起了國內外的學者進行了研究，也形成了一些有效的方法。本文通過對結構損傷的分析，介紹了幾種目前使用的土木工程中結構損傷斷定的方法。

關鍵字：土木工程 結構損傷 斷定

現代，由于社會、經濟、技術的不斷發展，土木工程建筑也不斷出現在城市的各個角落，土木工程已經和人們的生活息息相關了。土木工程的安全關系到人們的生命財產的安全，因此對于關于土木工程中的結構損傷斷定問題的研究變得尤其重要。目前，對于土木工程中結構損傷斷定的研究也受到各界人士的關注，各種方式和方法也不斷的被研發出來，使土木工程損傷斷定的技術更加成熟和完善。

1、結構損傷概述及其結構損傷斷定的發展

1.1結構損傷概述

結構損傷其本質就是發生的一些結構性態的改變，而對于結構損傷的斷定其實就是通過其結構性態的改變而去斷定其結構損傷的整體情況。對于土木工程結構損傷斷定主要研究包括損傷的指示，即對于已經出現異常的結構的警示。其次是找出結構發生損傷的位置。最后確定出結構損傷的程度，給出確定的損傷指標。

1.2結構損傷斷定的發展

對于土木工程結構損傷的斷定的研究已經有著許久的歷史，從國際范圍來看主要是經歷了三個階段：首先是上個世紀四五十年代的思考探索階段，主要是尋找出結構損傷產生的主要原因以及修補的辦法。這個階段的研究法師主要是通過目測和自身的經驗。其次是對于結構損傷斷定研究的發展階段，處于上個世紀六七十年代，主要是對檢測方法的研究，提出了包括物理檢測，破損檢測、無破損檢測等的幾十種檢測方式，還提出了模糊評價、分項評價等多種的評價方式。到了上個世紀的八十年代，對于結構損傷斷定研究進入了一個完善的階段，對于斷定的方法制定了一系列相關的標準和規范，強調對于結構損傷斷定的綜合評價。

近幾年來，由于天氣狀況，地址災害，給我國的土木建筑工程帶來了巨大的危害，尤其是對橋梁、大壩等不同程度的造成了損傷。對于土木建筑工程進行檢測最重要的就是確定結構損傷的位置以及損傷的程度。如果能在災難到來之前，對于土木工程的結構損傷進行全面的評估，并且及時的加強修復，那么會大大降低人員和財產的損失。因此對于土木工程結構損傷斷定的研究具有重要的意義。

2、土木工程中的結構損傷斷定的方法

2.1物理斷定方法

物理檢測技術很早就被應用于土木工程的結構缺陷的檢測，其主要的方法有發射光譜法、回彈法、聲發射法、射線檢測法、超聲波發射法等等。這些方法能對一定部件的損傷進行檢測，實際的應用中要綜合其中的多種方法對土木工程結構損傷進行斷定，下面就是三種最常用的方法。

（1）射線檢測法

利用X射線結合直線加速器對于工程的結構缺陷情況進行檢測，對于結構內部的缺陷的位置和形狀，確定其結構損傷的結果，為維修工程做參考之用。

（2）超聲波檢測法

超聲波在不同材料中的衰減性不同，利用超聲波遇到不同的介質能夠反射的性質來進行檢測，這種方法主要的優點是成本低、靈敏度高、快速，具有良好的導向性。

（3）聲發射法

利用聲發射的探頭將發射源發射出來的彈性波轉換成為電信號，經過特定儀器的放大處理后得到一系列的系統參數，從而推測出結構內部發射源，也就是結構損傷的具體位置，這種方式是對活動性缺陷進行動態的檢測。

2.2基于固有頻率的損傷斷定法

結構的固有頻率是表示結構固有的特性的整體量，固有頻率是結構最為基本的參數，其識別度高并且最容易獲得。當結構的局部出現損傷的時候，結構的固有頻率就會相應的發生變化，剛度的降低會使得結構的固有頻率加大，并且測量的誤差較小，因此固有頻率一直被當做結構損傷診斷的標示量。但是固有頻率對于損傷的位置不具有敏感性，不同位置的損傷可能會引起相同的頻率變化。并且在結構不同位置的損傷對于各階固有頻率的影響也是不相同的。因此固有頻率的損傷斷定法不適用于在大型結構在線損傷的斷定。

2.3 基于固有頻率的損傷斷定法

考慮到固有頻率產生問題，結構的固有振型斷定方式就可以包含更多的損傷信息，對結構的局部變化比較敏感，對于結構損傷的定位更加準確。利用結構的固有振型來斷定損傷通常是用位移類參數和以應變類參數作為基礎來定位的。這種方式通常要建立初始狀態的有限元模型作為測定的基準，用固定振型的測量數據來修正結構模型，通過比較修正前后的物理模型參數來識別結構的損傷情況。但是由于系統噪聲和觀測噪聲的影響存在著很大的測量誤差，而特征振型的變化又被測量誤差掩蓋，給基于固定振型的斷定方法在實際應用中造成了許多困難。除此之外，振型的測量需要比較密集的測點，但是實際條件的限制，其觀測數據是不完整的。

2.4 基于能量變化的損傷斷定法

基于能量變化的損傷斷定法有兩種，一種是模態應變能，這種方法是定義了每個單元的模態應變能和它的計算方式，之后通過結構損傷前后每個單元模態應變能的變化來斷定損傷的位置以及損傷的程度。這種方法比較簡單有效，被廣泛的應用于實際的使用中。另一種是能量傳遞比，其基本模式是定義某種循環中的模態傳遞的能量與系統總能量之比為模態能量傳遞比。如果在這個傳遞的過程中出現損傷的情況，能量傳遞比就會發生變化。其可以確定損傷的大致位置。但是這兩種方法都容易受到噪聲的影響，因此在實際使用中采用多階模態疊加的方式，能夠大大加強結構損傷斷定的準確度。

2.5 神經網絡方法

神經網絡的方法是上個世紀研究出來的一種模擬生物神經系統的一種研究客觀事物的新的方式。由大量神經元連接成的神經網絡，是通過神經元之間的相互作用來進行信息的處理的，其信息的存儲形式表現為網絡元件互連間分布式的物理聯系。因此，神經網絡具有很強的自我學習的能力、并行計算的能力，并且具有較強的容錯性，較強的非線性性能，容易進行聯想和推廣。神經網絡被廣泛的應用在控制、識別等方面，尤其是土木工程的損傷結構斷定的研究之中，它的適應能力、處理環境震動能力都較強，是土木工程領域診斷的有效的工具。其進行結構損傷斷定的主要模式是根據結構在不同狀態下的反應，提取損傷的特征，將損傷敏感參數作為輸入向量將損傷的狀態作為輸出的向量，建立其映射關系，以當前的結構判別出結構損傷的模式。

結論：

關于土木工程的結構損傷斷定方法作為一門新興的多學科領域知識交叉的學科，處于一種不斷發展的狀態。目前，對于土木工程結構損傷的斷定所做的研究已經逐步深入，針對不同的問題，已經研究出了許多方法。但是對于損傷的斷定仍舊處于一個初始的階段，各方面的研究都還不夠成熟，存在著許多的問題等待解決，比如發展更加可靠的損傷斷定的指標，研究環境參數、實驗參數等對于斷定損傷的影響程度等等問題。

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