大型結構物損傷識別方法研究及展望

李 言

(1重慶交通大學土木工程系 重慶 400041)

大型結構物損傷識別方法研究及展望

李 言

(1重慶交通大學土木工程系 重慶 400041)

隨著時代發展，大型結構物如雨后春筍般出現。針對如此多的大型結構，及時準確的發現結構物的損傷，避免結構物因后期的維修和加固帶來巨大的經濟損失，同時對結構物進行實時的健康監測，避免其突然破壞，無疑具有十分重大的理論意義和經濟效益。本文先從概念上指出結構損傷識別可以劃分的幾個層次，對結構損傷識別的熱點問題進行了歸納總結，最后對結構損傷識別的新方法提出了展望。

大型結構物；損傷識別；研究進展

1 引言

21世紀以來，隨著全球經濟的飛速發展，世界各國特別是像中國這種發展中國家正在大量的進行基礎設施建設，其規模也是越來越大。在這種大背景下，工程師們對工程結構安全性的需求也是越來越顯著。結構的安全性能得不到滿足，對于后期的維修和加固將產生巨額的費用，甚至是發生破壞，所以急需對大型結構物采用有效的健康監測手段來控制結構損傷，對結構的安全狀況進行實時掌握。

通過過去幾十年的研究，結構損傷識別領域已經發明了大量的方法，但是由于大型結構物的損傷分布和損傷程度具有極大的隨機性和不確定性，許多損傷識別方法還無法較好地應用于實際工程中。本文先從概念上指出結構損傷識別可以劃分的幾個層次，對結構損傷識別的熱點問題進行了歸納總結，最后對結構損傷識別的新方法提出了展望。

2 正文

2.1結構損傷識別問題的主要層次

第一層次：判斷結構是否真的已經發生損傷。研究內容主要有：結構的損傷類型，損傷的成因，損傷的可修復程度等。結構物由于設計、施工的不足或者材料的使用不當，又或是結構的需求大于了其能力值，結構物遭遇了偶然因素的作用（如地震、臺風），還有就是環境腐蝕和長期荷載引起的結構疲勞等，都將對結構引起不同程度的損傷。主要難點在于結構的很多物理量的測試受環境條件、儀器的使用精度、測量水平等因素的影響較大，這將導致對于結構損傷的判別不精確。

第二層次：確定損傷的幾何位置。每種結構都可能出現不同程度的損傷，但是受力構件損傷和非受力構件的損傷對整體結構安全性、耐久性的影響是不一樣的。為了準確評估損傷情況，特別是關鍵部位的損傷狀態，需做好損傷位置的識別。主要的研究內容是利用靜力或動力的作用引起結構的響應，通過觀察最大響應部位來判斷結構損傷具體發生在哪一部位。如何準確識別損傷的幾何位置，是該層研究的重點。

第三層次：對損傷的嚴重程度進行量化。主要內容是通過檢測數據得到的結構物的變形、撓度、應變、裂紋寬度等數據來全面評估結構的損傷程度。需要建立損傷的量化標準，即需要對損傷的嚴重程度進行量化再來評定損傷程度。研究難點在于如何量化這個尺度。

第四層次：預測結構的剩余使用壽命。對于已經量化的損傷構件，可以采用一系列較為準確的評估標準來預測其剩余使用壽命。剩余使用壽命可以為之后的維修策略、檢查頻率、養護措施提供有利依據。如何通過構件損傷程度及部位預測構件剩余使用壽命是該層次研究的重點。其難點在于，一般通過建立損傷模型來預測結構的使用壽命，但該方法一般與實際結構有一定的偏差，預測的精確度不高。

第五層次：對結構的完整性進行評價。構件的損傷不僅影響構件自身的安全性和耐久性，也將影響結構整體的安全性和耐久性。在對局部的損傷進行評估之后，還需將其放入整體中進行全面評估，對結構完整性做出評價。該層的重難點在于如何考慮局部構件對整體的影響，以及這一影響的強弱，是否是關鍵截面或者構件，對不同重要性的構件需要按重要性系數進行一定的折減。

2.2基于結構動力學方法的結構損傷識別

常用的動力學損傷識別方法包括頻率基損傷識別方法、模態基損傷識別方法等，這是當前結構損傷識別研究的熱點問題。

（1）頻率基損傷識別：該方法主要是利用結構的固有頻率變化來進行損傷識別，具有方法簡單，測試精度較高的特點。但固有頻率對結構局部的損傷反映不是很合適，且無法準確反映結構的損傷部位。

（2）模態基損傷識別：該方法又稱為振型基損傷識別，利用模態變化來識別結構的損傷。常用的方法有模態置信度判據法、位移模態法、模態曲率法和應變模態法等。模態對局部剛度變化較為敏感。在實際測試中，實際模態往往不完整，且模態個數少于分析模型的個數，而且測量的自由度也少于分析模型的自由度，高階模態很難測得，這使得模態基損傷識別方法在實際使用時容易受到模態不完整和噪聲影響的問題。

2.3結構損傷識別的新方法

基于時頻域數據的方法即基于小波分析的識別方法是近10幾年來的興起的損傷識別新方法。該方法是數學理論中調和分析技術發展的最新成果，它可以看作是傳統傅里葉變換的一個拓展，有著其獨特的優勢：（1）該法對于非平穩信號的分析較為準確。（2）該法不需要結構傷前的基準數據。（3）該法不但可以對損傷進行定位，還能突出損傷信息。

壓電阻抗法也是一種新興的結構損傷識別方法。它利用的是機械變形和電荷變化之間的關系，以此制成壓電傳感器。在收到外部壓力的作用下，材料內部會出現極化作用，材料的正負電荷會集中于材料的兩極，產生電動勢。在結構的損傷檢測過程中，將這種傳感器埋入結構之中，由于結構受力會產生電荷變化，這樣通過輸出的電能就可以探知結構受力，進而轉化為位移的變化。該方法信號便于采集且穩定性高，材料成本較便宜，值得進一步研究和推廣。

3 結語

結構損傷識別方法眾多，但是大多數局限于計算機數值模擬和實驗室模型，對于實際工程的應用還十分欠缺。總體來看，未來的研究將考慮如何在監測過程中采集到更為穩定的信號，如何對損傷位置進行更加準確的定位，突出其損傷信息。還有就是要考慮損傷識別方法的可操作性和易推廣性，針對大型結構物進一步研究一整套的材料價格便宜、操作簡單、可商品化的結構損傷識別系統將是今后研究的主要方向。相信今后隨著人工智能系統的發展，結構損傷識別技術將迎來新的突破。

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