探究土木工程結構損傷診斷研究進展

摘要：隨著我國市場經濟發展，作為國民經濟支柱性產業的建筑行業發展迅速，其中的土木工程安全越來越受關注。除了通過安全設計來預防土木工程安全事故以外，加強使用中建筑物的土木結構管理，通過土木結構安全鑒定，提早發現結構損傷、振動損傷，并對建筑物及時修復，增加建筑物的使用安全系數必定成為未來建筑行業的趨勢，成為下一個建筑行業的經濟增長點。作為土木工程主要安全因素，加強土木結構的損傷診斷是必要的，本文基于結構損傷、振動損傷及安全診斷等概念，分析了土木工程中，結構損傷的診斷方法，并探究了目前結構損傷診斷的相關問題。

關鍵詞：土木工程；安全鑒定；診斷；結構損傷；振動損傷

在土木工程中，結構損傷依據檢測技術能分成局部與整體檢測兩部分，根據結構模型能分成無模型與有模型診斷兩類。土木工程在使用當中，具有一定使用年限，由于酸雨、地下水、北方冬季結冰等耐久性因素，或遭遇洪水、地震與臺風等災害等偶然荷載作用，甚至諸如貫穿裂縫、混凝土澆搗及養護、建筑材料質量參差等諸多不確定因素，建筑物經過多年磨損而存在安全隱患，出現質量問題，給土木工程帶來不可估量損壞。建國六十年來，許多建筑物已經達到其使用的耐久極限，改革開放三十年也有大量的新型建筑達到了其生命的“半衰期”，為確保人們生命財產安全，采用有效診斷措施給予防控是必要的。

1. 結構損傷、振動損傷與安全診斷

在土木工程當中，結構損傷所指的是結構材料及其幾何特性出現改變，會給當前結構性能與整體系統力學帶來影響。由土木結構強度、剛性與穩定性上看，土木結構損傷主要包含內部缺陷、材料缺陷與設計結構隱患、結構裂紋、性能下降等。振動損傷所指的是結構因振動引發的損傷，經過各振動信號采集與處理，對結構損傷給予判斷，因振動源存在不確定性，振動測試環境比較復雜，具有不可控性，此類損傷診斷較難實施。安全診斷所指的是通過土木結構損傷狀況的識別，分析結構各性能指標，并判斷結構損傷狀況，一旦存在損傷，就應對其位置與損傷程度進行確定，對土木結構剩余壽命進行估計以判斷其繼續應用性，并研究制定相應的修復補強方案。

2. 結構損傷的診斷方法

1.1. 整體檢測方法

整體檢測方法主要通過建筑物原有力學模型，通過施加各種假設荷載或振動作用，分析建筑物的荷載極限，主要適用于有詳細的工程力學計算書建筑物，對于近二十年建成的超高層框架結構或連續多跨單層層建筑物，最好有靜力學、動力學、運動學力學分析的計算機模型。現代大型計算機工程力學分析軟件，例如Ansys、Nastran軟件能為建筑物的損傷分析提供良好的輔助。

但因為檢測方法對力學模型的依賴，未必適用于改革開放前甚至各種古代建筑等缺失力學計算書的建筑結構損傷分析，部分受到地震、海嘯、或者例如九江大橋撞擊甚至911恐怖襲擊的建筑物則不適用，因為其設計模型和實際模型條件已不一致。

1.1.1. 系統識別與模型修正法

系統識別與模型修正法主要是應用基本的運動方程、動力測試資料與有限元模型進行優化約束，并修正結構模型剛度、質量及阻尼分布等，與結構動態響應相接近，經過基線模型及修正模型矩陣的比較，能對土木結構損傷給予診斷。Nastran軟件對系統識別與模型修正法的支持度很高，能提供靜力學、動力學、運動學力學以至熱力學的模型分析功能。應用這種方法在子結構的劃分及處理上優勢較多，因測量噪聲、模型誤差與土木結構等在局部剛度變化上不是很敏感，實際應用頗受限制，致使特征方程的求解出現亞定問題，要有效解決模型于數據不定性，可應用統計推斷法，像貝葉斯法，根據邊界條件中的子結構修正，能減少未知數，同時，運用良態建模與子結構合理劃分等，獲取最優信息量。當然，貝葉斯法屬于統計的理論范疇，實際操作時可以在結合超聲回彈綜合法等構件強度分析方法，可以將重要構件實際強度數據輸入到力學設計模型中，從而論證建筑物現狀剛度和設計剛度之差，可以讓結構工程師分析建筑物的損壞情況。

系統識別與模型修正法較為適合正常情況使用下的建筑物安全鑒定使用，即實際使用狀況與設計使用功能相同的建筑物。

1.1.2. 動力指紋識別方法

在土木結構診斷中，動力指紋識別是在結構特性變化下，如結構參數中的質量、剛度及阻尼等出現變化，相應動力指紋就會出現變化。動力指紋便能看成結構損傷標志，重用動力指紋主要包含振型曲率、頻率、MAC與應變模態等，經實際結構試驗，土木結構損傷中的固有頻率變化比較小，振型的局部剛度變化較為敏感，不過其精準測量比較困難。如Elkordy等人采取振型方法進行五層框架結構的損傷診斷，在不同損傷狀況中，第1-第4層當中的第1振型，是依據第5層當中的第1階振型進行歸化處理，并對損傷前后的振型變化比，當作參數輸進BP網絡中，還應對損傷位置給予檢測，對其損傷程度進行測定。

在檢測當中，僅應用振型方法診斷會受到檢測時建筑物振動影響檢測結果，具有一定缺陷性，建議采用多次檢測的數據結果進行加權提高數據準確性。

1.1.3. ANN方法

ANN方法為神經網絡法，是上世紀80年代，廣受關注的人體神經原理的模擬方法，有自我學習與并行計算之功能，其容錯性也很強，運用網絡算法當中的墨水識別，能有效解決傳統模式當中的模式損失與高噪音等缺點，已成損傷結構診斷中應用最廣泛工具，神經網絡診斷原理是依據不同狀態下的結構反映。經特征提取，選擇損傷敏感參數當做網絡輸入的向量，而結構損傷為輸出，構建損傷狀態及輸入參數間的映射關系，網絡含模式分類作用，通過目前結構可直接反映結構損傷狀況。MSC.Marc軟件對神經網絡法的支持度很高，對比起Nastran，MSC.Marc可以分析的處理各種線性和非線性結構分析包括：線性/非線性靜力分析、模態分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩、失效和破壞分析等。它提供了豐富的結構單元、連續單元和特殊單元的單元庫，幾乎每種單元都具有處理大變形幾何非線性，材料非線性和包括接觸在內的邊界條件非線性以及組合的高度非線性的超強能力。運用神經網絡的損傷診斷法，并不需要土木結構的動力特點先驗知識，含有損傷的診斷非參數性，非線性的應設立較強，比較適合非線性的模式分類與識別，與模型修正方法相比，神經網絡方法的適用范圍更為廣泛，不單可以分析整個建筑物，亦可以單獨核算各種構件。

1.2. 局部檢測方法

這種檢測方法被大量用于建筑物中局部受損構件的檢測，主要包含染色法、目測法、渦流法、以及前文提及的超聲回彈綜合法與發射光譜法等，這些檢測方法中的大部分應用在某部件焊接缺陷、裂縫位置、受偶然荷載損壞的構件、與腐蝕磨損等方面的檢查，在實際檢測當中，多種技術的聯合應用能對結構狀態進行評價。

如射線檢測法是用直線加速器與X射線，對土木結構缺陷給予檢測，例如地下連續墻裂縫檢測，對其結構內部的缺陷位置與形狀給予檢測，以判斷結構可用與維修參考。聲發射法所指的是對活動缺陷給予動態監測，并采取聲發射探頭對發射源中發射彈性波向電信號進行轉換，再通過放大處理，獲取特征參數，以推測材料內部的缺陷位置。超聲回彈綜合法根據實測聲速值和回彈值綜合推定混凝土強度的方法。本方法采用帶波形顯示器的低頻超聲波檢測儀，并配置頻率為50～100KHZ的換能器，測量混凝土中的超聲波聲速值，以及采用彈擊錘沖擊能量為2.207J的混凝土回彈儀，測量回彈值，直接得出混凝土實際強度。

通過局部檢測，找出結構損傷點，通過注漿、二次抹面、壁可法或者構件破壞重新澆搗，及時補強，提高構件耐久性。但因為局部檢測的對象是構件，僅能處理諸如貫穿裂縫、混凝土澆搗及養護、建筑材料質量缺陷或偶然荷載破壞的構件，當處理整體受損，或者改變使用用途、調整建筑結構的建筑物，還需要結合各種整體檢測方法檢測。

1.3. 無模型的診斷方法

在土木結構的損傷診斷中，無模型診斷方法并不需要有關結構模型的特征量，從土木結構振動的響應頻譜、時程與時頻等進行特征量提取，實施結構損傷的診斷。這種診斷方法起初僅應用在機械損傷診斷當中，進入21世紀之后，才逐步應用在土木結構當中，其診斷方法主要有頻域法、時域法與時頻分析法等三類，其中，頻域法是運用頻響函數對損傷診斷的指標進行構造，如波形識別指標在橋梁結構中的損傷診斷，又如功率譜密度均方根的指標在線性結構中的早期損傷定位。時域方法包含卡爾曼濾波法與ARMA模型等，如運用加速度的時域信息對殘差量進行構造，并采取奇異值的分解法，對方程組進行求解，以驗證方法有效性。而時域分析法是運用新信號的分解法，對原有傅里葉變換分解法進行替代，現在大多為小波變換，如廖錦翔等人，就運用小波變換，對橋梁裂縫的位置進行了識別，并實施數值模擬，以檢測結果的準確可靠性。

1.4. 重建力學模型法

與無模型的診斷方法的使用環境相同，目前我國存在大量建國以前留下的古建筑，而因為建筑物設計及竣工資料檔案制度建立以前的五十至八十年代建筑物也不在少數，這些建筑物大多處于年久失修的狀況，而且因為設計資料缺失，無法通過整體檢測方法測定其安全狀況。我所工作的海印集團曾多次接收這種資料缺失的舊物業，例如海印廣場項目、海印電器總匯、海印江南糧油城項目。在這些項目中，我司與設計院一道，通過超聲回彈綜合法，測出混凝土結構強度，同時利用X射線探測主要構件的構造鋼筋，重建改造部位的力學模型，降次使用輕度受損的范圍，對中度受損的構件及時回頂、拆除、植筋并重新澆搗，收效顯著。重建力學模型，對重新活化古建筑、近代建筑有重要意義，有待專題研究并形成相關的行業規范。

3. 土木結構中的損傷診斷相關問題探究

在土木工程當中，其結構的損傷診斷是很重要的，直接關系著土木結構穩定安全性，損傷診斷法在航天、航空與機械等領域應用較為廣泛，在土木工程，特別是橋梁結構中，其應用有效性還需不斷加強，因土木結構的影響因素并不確定，結構也較復雜，在實際應用當中，診斷方法還存在較多困難，需要不斷深入研究及實踐，損傷診斷當中，對實際結構損傷的數據需求量大，不過實際數據比較有限與不足，運用大量試驗對標準樣例與損傷數據進行獲取，所付出代價較為昂貴，并且費時費工，損傷結構研究當中，構建結構模型，并運用數值仿真實施相關研究，其現實意義更強。

在損傷診斷當中，大多診斷指標是在航空與機械等方面發展來的，土木工程當中的結構診斷指標，還需要不斷完善，尤其是結構的實用性，還應加強研究，運用更可靠損傷指標，讓其適合某結構。對于大型的土木結構，激勵環境下，難以激發高階模態，加強低階模態的結構損傷診斷，更具有其理論意義與實踐價值。土木結構中的自身動力與非線性等變異，會對結構損傷診斷造成較多困難，需要進一步研究。隨著新材料及新思想的發展，在土木工程中，應加強結構設計改進，加強新參數與性能指標的測試，并運用新數學模型，強化土木結構邊界條件注意，有效擴大應用范圍，增強擬合程度。

我國的結構損傷的診斷發展遲于歐美、日本等西方發達國家，即使對比香港，我國大陸還是處于萌芽的階段，其主要原因首先是我國目前新建項目之多，導致政府相關主管部門暫時未能顧及土木結構使用的安全，未能退出相應政策支持，這需要政府立定決心，成立分管土木結構使用的安全的部門，仿效香港制定相關的建筑物周期性診斷的法律法規；其次，國內支持土木工程力學模型的軟件、各種檢測工具和標準匱乏，即使有更好的檢測方法也會因市場缺乏競爭而導致價格高昂，使用者望而卻步，也是制約結構損傷的診斷的重要因素，許多設計院目前還是依賴工程師手稿計算，而對建筑物的安全鑒定還是使用目測法、染色法等低效率方法，所謂工欲善其事必先利其器，須由國家主管部門牽頭，研究屬于中國的力學模型軟件，制定安全鑒定的行業標準以致國家規范。只有完善上述兩點，我國結構損傷診斷行業才能迎頭趕上世界列強。

結束語：

在建筑工程中，土木工程結構作為其重要構成，結構損傷程度直接關系建筑質量及其安全性，加強土木結構的損傷診斷是非常必要的，我國土木結構的損傷診斷已比較系統與深入，不過依然存在一些問題，需要運用合理診斷方法，對其損傷進行診斷，為土木結構的安全可靠性提供相關參考依據，確保建筑工程質量的安全性，保證人們的生命財產安全。

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