土木工程結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)及損傷識(shí)別方法研究

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 福建 福州 350108）

0.引言

近些年來，土木工程在我國得到了迅猛的發(fā)展，人們也越來越關(guān)心居住質(zhì)量的提高。土木工程的結(jié)構(gòu)是人們工作、生活、學(xué)習(xí)環(huán)境中的重要支撐，只有確保土木工程的結(jié)構(gòu)安全，才能使人們的日常生活得以順利進(jìn)行。一旦土木工程的結(jié)構(gòu)難以保證，就勢必會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。由于土木工程結(jié)構(gòu)長期處于外部環(huán)境當(dāng)中，地震、臺(tái)風(fēng)、火災(zāi)等自然災(zāi)害的發(fā)生會(huì)給土木工程結(jié)構(gòu)帶來巨大的影響，外界環(huán)境中的雨、雪、灰塵等也會(huì)使土木結(jié)構(gòu)長期處于荷載作用下，日積月累之下，土木工程結(jié)構(gòu)就難以避免的受到不同程度的損傷。因此，對土木工程的損傷程度及類型進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，評(píng)價(jià)土木工程結(jié)構(gòu)的健康狀況具有十分重要的意義。通過檢測技術(shù)及損傷識(shí)別方法的應(yīng)用來對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的檢測與診斷是提高工程使用價(jià)值、確保民眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要手段，而這也使其成為了國內(nèi)外的重點(diǎn)研究課題。

1.土木工程結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)研究

1.1 砌體結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

在土木工程中，砌體結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的支撐作用，它也是土木工程結(jié)構(gòu)中最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，關(guān)于砌體結(jié)構(gòu)的檢測方法主要分為兩種形式，一種是動(dòng)態(tài)檢測形式，另一種是靜態(tài)檢測形式。不論哪種檢測形式，基于土木工程結(jié)構(gòu)的使用特點(diǎn)，都需要確保檢測技術(shù)具備較高的精準(zhǔn)度。砌體結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)的主要方法包括回彈法與鉆芯法，在選擇檢測方法時(shí)，需要依據(jù)砌體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成材料來進(jìn)行確定。例如，土木工程的砌體結(jié)構(gòu)為石塊砌體時(shí)，利用鉆芯法來進(jìn)行檢測最為合適，則如果砌體結(jié)構(gòu)為紅磚組成，則可以通過回彈法與鉆芯法結(jié)合使用最為合適。在對土木工程的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測過程中，檢測人員需要將砌體結(jié)構(gòu)中的自重砂漿輕度作為檢測參數(shù)，并利用推出法與筒壓法來進(jìn)行相應(yīng)的檢測。推出法的檢測流程相比于筒壓法來說要更為簡單，它不需要進(jìn)行任何取樣，檢測人員可以通過推出儀來對土木工程結(jié)構(gòu)中的砌塊進(jìn)行推出操作，從而得出推出砌塊時(shí)的力度與砌體的砂漿飽滿情況來判斷出砌體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量能否滿足要求。筒壓法則需要對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行取樣，然后將取出的樣本進(jìn)行碾碎烘干后按照砂漿顆粒的級(jí)配來進(jìn)行劃分，并將其放置在承筒當(dāng)中進(jìn)行筒壓處理，以此判斷樣本中的砂漿能否滿足土木工程的質(zhì)量要求。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

在土木工程結(jié)構(gòu)中，混凝土的廣泛使用，使混凝土結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)，由于其具備強(qiáng)度高、工藝簡單的優(yōu)勢，使混凝土結(jié)構(gòu)越來越受到人們的青睞。而對混凝土結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)所采用的方法主要有三種，分別是回彈法、鉆芯法與超聲法?；貜椃ǖ膬?yōu)勢在于操作較為簡單，檢測結(jié)果較為精確，唯一的缺陷就是會(huì)對土木工程的結(jié)構(gòu)帶來一定的影響，這也使其在對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測時(shí)受到了很大的限制，它是通過對重錘的彈簧長度最初值和反彈距離進(jìn)行相互比較的方式來對混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行判斷的，在采用這種方法時(shí)，需要經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)可及業(yè)主同意后才能使用。鉆芯法是目前混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中最常見的一種檢測方法，它主要是依據(jù)回彈儀來進(jìn)行檢測的，具體操作流程共分成三個(gè)階段，第一個(gè)階段是通過鉆機(jī)在混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行采樣，第二個(gè)階段是將采集到的樣本利用壓力機(jī)械進(jìn)行壓碎實(shí)驗(yàn)，以此得到混凝土樣本的實(shí)際抗壓強(qiáng)度。第三個(gè)階段則是根據(jù)混凝土樣本的實(shí)際抗壓強(qiáng)度及其他物理性能來對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行判斷。在混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中，超聲波是一種無損檢測方法，具備檢測速度快，檢測精度高的優(yōu)勢，其主要是利用超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中受到不同材料及成分的影響，導(dǎo)致其衰減與吸收程度的不同來進(jìn)行判斷的，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中的超聲波傳播參數(shù)產(chǎn)生變化時(shí)，檢測人員就能以此判斷出結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在質(zhì)量問題。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

土木工程結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)由于具備自重輕、韌性強(qiáng)、強(qiáng)度大等優(yōu)勢，使其在土木工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用，這也使鋼結(jié)構(gòu)成為一種極具發(fā)展前景的土木結(jié)構(gòu)。對鋼結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)主要是通過對結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的檢測，檢測內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件尺寸、構(gòu)件間的連接情況及鋼構(gòu)件中的具體損傷程度等，通過這些內(nèi)容的檢測與收集來為檢測人員對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題判斷提供依據(jù)。

2.土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究

當(dāng)采用檢測技術(shù)來對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)中存在損傷或質(zhì)量問題時(shí)，便需要利用損傷識(shí)別方法來對損傷類型、損傷程度進(jìn)行確定，以此評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體性能。一般情況下，對土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別需要確定以下兩個(gè)方面的內(nèi)容，其一是對土木工程結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測；其二是對結(jié)構(gòu)的實(shí)際損傷情況及損傷位置進(jìn)行確定。

2.1 局部損傷識(shí)別方法

局部損傷識(shí)別方法有很多，比較常見的有聲發(fā)射法、回彈法、發(fā)射光譜法、射線塵法、脈沖回波法等，這些方法都屬于局部損傷識(shí)別方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的裂縫位置進(jìn)行精確的檢查與識(shí)別。此外，在對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部損傷識(shí)別時(shí)，還可以通過將這些方法進(jìn)行結(jié)合實(shí)合來對結(jié)構(gòu)中的實(shí)際損傷情況進(jìn)行共同識(shí)別。通過這些識(shí)別方法的使用，不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的損傷程度進(jìn)行精確識(shí)別，還能夠?qū)ν聊竟こ探Y(jié)構(gòu)中的損傷類型及損傷位置進(jìn)行精確的識(shí)別。不過，如果土木工程的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的話，采用這些方法難以對結(jié)構(gòu)的整體損傷信息進(jìn)行獲取。

2.2 整體結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法

土木工程結(jié)構(gòu)中包含著大量的剛度、阻尼、質(zhì)量等物理參數(shù)，這也使其成為一種非常復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生損傷時(shí)，其整個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生重大變化。因此，對整體結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別與判斷，可以通過其參數(shù)變化來進(jìn)行確定，而整體結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法便是依據(jù)該原理來進(jìn)行檢測的。整體結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法主要分為以下幾種，包括模型修正法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及動(dòng)力指紋法。以下便對這幾種整體結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法進(jìn)行研究。

2.2.1 模型修正法

模型修正法是通過土木工程結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建來對其約束條件進(jìn)行優(yōu)化與動(dòng)力測試的一種損傷識(shí)別方法，它能夠在某種程度上對土木工程結(jié)構(gòu)中的阻尼、質(zhì)量、剛度等特性進(jìn)行修正。模型修正法的結(jié)構(gòu)測試響應(yīng)與最大響應(yīng)基本相同，它能夠通過對模型矩陣和基線模型矩陣進(jìn)行修正，然后將兩者進(jìn)行比較的方式，以此完成對土木工程的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與判斷。此外，模型修正法還能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的單元進(jìn)行劃分，并對其結(jié)構(gòu)中的子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行相應(yīng)的處理。不過，由于其在測試過程中對參數(shù)的敏感度不足，因此會(huì)造成測量過程中產(chǎn)生較強(qiáng)的噪音或測量結(jié)果發(fā)生較大誤差等現(xiàn)象，這也使其在對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí)受到一定的影響。并且，模型修正法中進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)所獲得的模態(tài)信息在成熟性上仍舊有所欠缺，這也使其在對特征方程進(jìn)行求解時(shí)穩(wěn)定性不足。

2.2.2 遺傳算法

遺傳算法是根據(jù)自然界中的物競天擇生存法則逐漸演變出來的，它主要是以適者生存、優(yōu)勝劣汰的原則來對土木工程結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行識(shí)別的，采用這種方法能夠求出土木工程結(jié)構(gòu)的最佳狀態(tài)，通過計(jì)算的方式將各個(gè)目標(biāo)解進(jìn)行求出，并通過共同搜索的方式來對這些目標(biāo)解進(jìn)行分別優(yōu)化，以此篩選出最佳的目標(biāo)解。遺傳算法在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的適用性非常強(qiáng)，操作也較為簡單，其尤為適合那些信息量較少時(shí)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別與判定，即使結(jié)構(gòu)中的模態(tài)信息缺失，也不會(huì)給遺傳算法的識(shí)別結(jié)果帶來影響。

2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也是土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的一種檢測方法，它是通過對人體神經(jīng)機(jī)理進(jìn)行模擬的方式來對土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與研究的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法同時(shí)兼顧了強(qiáng)大的并行計(jì)算能力與自我學(xué)習(xí)能力，并且具備較高的容錯(cuò)率，能夠依靠神經(jīng)功能中的擴(kuò)散、聯(lián)想與綜合，通過黑水識(shí)別的方式來消除損失識(shí)別過程中產(chǎn)生的高分貝噪音與檢測損失，這也使其在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中成為一項(xiàng)非常重要的檢測方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠根據(jù)不同狀態(tài)下的土木工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同反應(yīng)，來對這些反應(yīng)的特征值進(jìn)行提取，并將結(jié)構(gòu)損傷的敏感參數(shù)作為該算法的輸入向量，以此輸出與之相匹配的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以此形成輸入?yún)?shù)和輸出狀態(tài)相對應(yīng)的特征關(guān)系，并且，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還能根據(jù)其強(qiáng)大的并行計(jì)算能力來對模式進(jìn)行分類，以此對結(jié)構(gòu)損傷模式進(jìn)行某種程度上的真實(shí)反應(yīng)。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的自身特性能夠?qū)Ψ蔷€性結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的映射能力，這也使其在對非線性模式進(jìn)行分類與識(shí)別當(dāng)中顯得尤為適合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比于模型修正法來說，不僅功能更加強(qiáng)大，在適用范圍上也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前者。

2.2.4 動(dòng)力指紋法

當(dāng)土木工程的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)在某種程度上產(chǎn)生變化，進(jìn)而造成其自身動(dòng)力特性發(fā)生改變，而動(dòng)力指紋法便是依據(jù)結(jié)構(gòu)中動(dòng)力特性的改變來對結(jié)構(gòu)的損傷程度進(jìn)行識(shí)別的。動(dòng)力指紋中最常用到的動(dòng)力特性主要包括振型、應(yīng)變模態(tài)、頻響函數(shù)、坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則、頻率、模態(tài)曲率、柔度等，在動(dòng)力指紋法中，對單一的動(dòng)力特征進(jìn)行識(shí)別的方法主要有振型差法、曲率模態(tài)法、頻率比法等，對多種動(dòng)力特征進(jìn)行識(shí)別的方法主要有剛度差陣、能量損傷指紋、柔度差陣、能量商差指紋等。除此之外，其他方法還包括FRF波形指紋法、曲率法等。

3.結(jié)語

綜上所述，對土木工程結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)與損傷識(shí)別方法已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注，在研究進(jìn)展上也取得了較大突破。不過，目前我國在土木工程結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)與損傷識(shí)別方法的研究方面仍舊有待深入，這就需要我們秉承著堅(jiān)持不懈的精神來進(jìn)行鉆研與創(chuàng)新，才能使結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)與損傷識(shí)別方法得到不斷發(fā)展，為人們創(chuàng)造一個(gè)健康、舒適、安全的生活環(huán)境。