淺議古建筑木結構損傷識別方法

董晴晴 趙騰飛 倪浩冉 吳志偉 王愛森

（1聊城大學 季羨林學院；2聊城大學 建筑工程學院山東聊城）

0 簡述

古建筑木結構中，影響木結構安全的核心問題是結構和構件的殘損或損傷程度。木材具有易腐朽、蟲蛀、硬度低等缺陷，長期暴露在自然環境下，很容易出現諸如開裂、孔洞等殘損現象，加上地震、颶風、洪水、滑坡等自然災害，以及年久失修、戰爭、人為破壞等因素，木結構和木構件的安全問題成為古建筑木結構預防性保護的核心問題。正如人體“有病治病，無病預防，查體診斷，防患未然”一樣，古建筑木結構也要進行檢測，鑒定其狀態和性能，以便后續維保。損傷識別是結構安全檢測工作的一項重要方法和手段。通過現場檢查和一般性檢測可以掌握古建筑木結構的明顯的變形、損傷和損毀程度，而構件、連接節點或結構內部的損傷和力學性能等則很難判斷和掌握，需要通過一定的損傷識別方法來實現。對當前常用的損傷識別方法的應用情況加以分析，以期能對同行有借鑒作用。

1 木結構損傷識別概況

損傷識別是古建筑木結構損傷檢測中的重要方法。不同于一般性損傷檢測，損傷識別能夠對結構內部損壞位置和程度進行識別檢測，比如木構件內部蟲蛀、空洞，卯榫節點的腐朽、斷裂，結構剛度的降低等。通過木結構的一些關鍵性能指標的測試結果，判斷分析結構或構件是否存在損傷狀況，及損傷的部位和損壞程度，是后續結構鑒定的基礎，為古建筑木結構剩余壽命的預估和維保提供依據。

木結構損傷識別包括損傷位置識別和損傷程度識別。許多學者就損傷位置的推斷問題提出各種識別方法，但目前對古建筑木結構損傷識別的研究大多停留在構件和方法層面。損傷程度的識別是古建筑木結構剩余壽命預估和預防性保護的前提。損傷程度識別主要是在預設已知損傷的理想化試驗構件（或簡易結構）的試驗測試與理想有限元模型的對比分析的基礎上得出的識別方法，通過修正有限元模型得出某些關鍵參數的設置方法或剛度矩陣修正方法，和試驗結果對比分析，一般可以得到很好的識別結果。然而，在實際應用中，大多數方法不能解決實際工程的復雜性和隨機性，還有較大的誤差和離散，再加上試驗者或分析者的水平等主觀因素，誤判的風險相對較高。

2 損傷識別的方法

2.1 有限元模擬與試驗對比識別法

有限元模擬與試驗對比識別法是通過對結構、構件或縮尺模型進行動力性能測試、振動臺測試或現場檢測等技術手段獲取基本參數，建立有限元模型，并通過理論分析和參數修正等對已知或未知的損傷進行識別的一種方法。但在模擬的過程中會存在著一定的誤差，如對構件殘損或損傷的尺寸測量誤差，力學指標誤差，結構或構件的邊界條件、簡化方式等誤差，都會造成所建立的模型與實際的結構不一致，甚至差別較大。為了盡可能讓有限元模型和實際應用達到一致，需對模型進行一定程度的修正。如何修正有限元模型以及選擇哪些指標參數作為損傷識別的關鍵敏感性指標成為損傷識別的關鍵，選擇結果直接影響損傷識別的精度。

王娟等[1]選取損傷識別研究的對象為多層梁柱中的排架結構，基于所建立的結構有限元模型，對結構的構件采取振動響應下靈敏度損傷識別的方法進行了三種不同損傷狀態下的數值模擬識別，并將所得的方程采用修正后的正則法進行求解。這種損傷識別方法適用于對構件之間離散性較大的古木結構，可以對單個構件甚至多個構件的損傷進行識別，在一定程度上考慮了噪聲的影響。翁順等[2]研究了基于子結構有限元修正模型的方法。通過對少數局部子結構有限元模型修正，除了對單一結構進行損傷識別外，理論上也可用于對大型整體結構的損傷識別。在損傷識別效率方面有所提高，對于單一結構的類型有一定的適用性。但這種方法優化求解問題效率低且情況比較復雜，識別過程比較耗時，其有限元模型修正方法在實際工程中還存在著一定的困難。

2.2 小波和小波包分析方法

小波分析可以說是傅里葉變換法的一種擴展情況，一定程度上彌補了傅立葉變換的不足。在環境激勵下，結構的動態響應往往可以看作是一個非平穩隨機過程，并且動態響應信號通常屬于非平穩隨機信號，而小波分析恰好能夠對非平穩隨機信號進行較好地處理。小波分析不僅能對時域分析，還能對頻域分析，目前在木結構損傷識別中應用越來越多。

小波包分析從實際來講是小波分析中的一種延伸情況，其基本思想是將信息能量進行集中，尋找細節中的有序性，篩選分析其中的規律，繼而可以提供精細分析信號的方法。它是多層次劃分頻帶，將進一步分解小波分析中沒有細分到的高頻部分，從而提高時-頻分辨率。

Hong等[3]對結構的模態振型部分進行了連續小波變換，通過李氏指數將結構的損傷位置進行定位，發現李氏指數不僅可以對損傷位置進行判斷，還可以對損傷程度進行評估。李曉凡[4]通過僅改變指定單元的損傷變量作為損傷信號，對兩種不同的小波基函數進行了分解，并將它們在結構進行損傷識別過程中的靈敏度進行了比較，是首次將基于小波變換的損傷程度作為預警指標應用于古建筑木結構中，在損傷定位及損傷程度方面取得了較好的效果。丁科等[5]對多層框架結構利用小波分析進行了模擬，指出小波變換系數能對結構損傷位置進行判斷，但不能反映出結構損傷程度的大小。小波分析方法在非穩態信號和高階模態分析方面表現出很大的優勢，但也有一定的局限性。目前的研究大多集中在數值例子和簡單實驗上。

秦堃[6]先對結構建立了有限元模型，選取木結構的小波包能量變化率作為進行損傷識別的指標，梁上各節點上的加速度響應信號通過小波變換進行損傷定位，也可初步評估損傷程度。王鑫等[7,8]在隨機激勵作用下對古木結構的損傷情況進行限元模擬，對各個節點上的加速度響應信號進行分解，將小波包能量曲率差作為木結構損傷定位的指標，從而得到損傷指標與程度兩者的函數關系式。指標具有一定的抗噪聲干擾能力，目前主要應用于一些簡單的實際工程。

2.3 抗側移剛度法

抗側移剛度法是對結構力學模型進行一定程度地簡化，確定結構層的質量和振動下的模型狀態，根據測點的響應情況，確定結構動力特性參數基本值的方法。薛建陽等[9]根據1:3.52的縮尺比殿堂式古建筑模型進行振動臺試驗，對不同地震的損傷下結構模型在等效抗側剛度以及側移情況下對剛度損傷的敏感情況進行分析。基于在柱腳滑移狀態下的簡化力學模型，對結構觀測方程以及結構狀態方程進行了推導，并考慮了噪聲對試驗的影響，研究了結構的振動響應以及在柱腳滑移條件下的等效抗側剛度。此次的試驗對PLS-SVD和EKF法在古建筑木結構等效抗側能力的在線檢測以及對震前抗倒塌方面的預警提供了依據。

2.4 超聲波法

超聲CT技術也是目前較為先進的無損檢測方法之一，可以將木構件內部存在的空洞情況以及裂隙發育較為直觀地表現出來。馬宏林等[10]采用自己研發的整套超聲檢測系統實現了木構件裂縫及孔洞情況的測試。所采用的干耦合方法，避免了耦合劑的使用，是以往超聲波法必須采用耦合劑的一種改進，從而保證了文物免受污染。通過對試塊實況及標準試塊的檢測對比，兩者吻合程度較高。將這種方法應用到陜西的西岳廟，取得了較好的檢測效果。

2.5 應力波法

應力波法是以不破壞檢測對象內部的結構構造和外觀功能為前提的一種無損識別法。應力波測試儀通過對傳感器進行敲擊來判斷損傷情況，在敲擊的過程中不會破壞結構內部結構和正常使用功能，通過測試應力波在木材中傳播的速度，拾取回波信號來對內部缺陷情況作出判斷。應力波的二維平面圖以及線性圖通過軟件生成，從而可以對木構件內部的具體殘損狀況作出分析。戴儉等[11]對具有不同形狀、不同大小的空洞的榆木試件采用FAKOPP應力波進行研究分析，并研究了不同空洞下的應力波對空洞面積、形狀以及波速衰減的采集情況。結果表明：空洞的不斷增大可以減小檢測面積與實際面積之間的差值,最小可達4%，同時兩者之間還存在比較顯著的線性關系。FAKOPP應力波在進行空洞采集方面存在較大的誤差，其精度還需進一步提高。

3 結語

古建筑木結構損傷識別方法從理論上來講還不夠完善，需要進一步探究理論支撐。在試驗方面，還需要增加試驗樣本數量和種類。在有限元模擬方面，還有待進一步探索關鍵的顯著性指標，模型修正方法上還有待改進，沒有統一的普遍認可的修正方法。在實際應用中，仍處于發展階段，每種損傷識別方法還有許多問題需要解決，如使用范圍限制、精讀，降噪去燥等。單種損傷識別技術存在不同情況的弊端，若綜合采用多種識別方法進行損傷識別，是否能提升損傷識別效率，提高識別精確度，取其所長，避其所短，值得后期做進一步研究探索。目前，計算智能與小波分析的結合是木結構損傷識別方面一個較好的研究方向。與目前應用于土木工程結構中的損傷識別方法相比，應用于古建筑木結構損傷識別的方法還是較少，將應用于混凝土、鋼結構、橋梁中較為嫻熟的方法，運用到古建筑木結構中，是值得研究和探索的方向，比如基于共振頻率和反共振頻率的方法、基于共振頻率和振型的方法、基于頻響函數的方法、人工神經網絡方法以及混合方法。因此今后應該汲取其他的結構損傷識別的精華部分，運用于木結構中，以促進古建筑木結構損傷識別的發展。