土木工程结构损伤诊断研究进展

土木工程结构损伤诊断研究进展

孙思惠

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摘要：随着现代科学技术的日益发展和提高，土木工程结构损伤诊断也迅速发展起来，并开始适用于重大土木工程结构中，对可能出现的土木工程结构损伤诊断进行预测，评估其安全性已经成为未来建筑工程发展趋势，关系到建筑的安全与经济效益的协调，并与国家未来的经济发展息息相关，逐步提高我国土木工程结构的实用性以及安全性价值。

关键词：损伤；诊断；发展趋势

前言：

土木工程结构的稳定性关乎到整个建筑行业的发展前景，丝毫不得马虎。土木工程结构损伤诊断技术在诊断土木结构的稳定性方面发挥着不可替代的作用，重大的建筑土木结构损伤检测的技术问题更是一个值得深入探究的问题。土木建筑工程的损伤诊断有助于控制和减少土木建筑中的不安全、不稳定因素。本论文对结构损伤诊断的研究各个方法和方面进行综合的探究，意在深入了解土木工程结构损伤诊断技术取得的新进展和创新，为建筑行业检测土木工程结构的稳定性提供参考意见和可行性的建议，对于建筑行业的发展具有深远影响和重大意义。

1关于土木工程结构损伤诊断

土木工程结构损伤检测是指房屋建筑工程通过对竣工验收合格后，在建筑物的正常使用过程中，借助调查、观察、量测以及试验等方式和手段，对建筑工程的损伤部位和损伤的程度进行分析的全工程。土木建筑工程的结构损伤是一项极具技术性的工作，需要专业的评估人士，还有对土木建筑工程的内部构造和外部结构、建筑材料的类别和性质、建筑结构物的受力范围和强度以及对建筑工程损伤的特质和形式的熟稔，熟练的应用损伤检测的内容和方法以及程序。

一般来说，土木检测的内容包含：首先明确待损伤工程检测建筑的大致范围；其次是对建筑物进行初步的损伤情况的调查和检测，要翻阅建筑物的原设计图，对每一次建筑物的加固、维修、扩建等都要进行详细的检查，这是根据现有资料对原始施工情况的了解；再次是岁损伤情况的详细调查，主要是对建筑物的结构布局、支撑系统以及连接构造的检查；最后就是对建筑物的损伤程度详细分析，根据已获得的数据对建筑物的结构工程和装饰工程以及设备工程的不同程度的损伤情况进行详细的分析，并撰写损伤检测报告[2]。

2结构损伤诊断常用方法

2.1基于固有频率变化的损伤诊断方法

固有频率是模态参数中最容易获得的一个参数，而且识别的精度较高，其损伤诊断的原理为。首先，根据理论模型假设结构可能有一组损伤位置的方案，并计算每个理论方案所对应的任意二个频率改变量之比，然后计算实验测量的任意二个频率改变量之比。最后，将上述理论比值与实验比值进行比较，找出与实测最为接近的理论值，则该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态，于是获得了结构的损伤位置。值得注意的是，此类方法认为结构发生损伤时，仅结构的刚度降低，而忽略结构质量的变化，并在结构早期损伤之前建立一个修正的理论模型，从理论上讲，发生破损以后的任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数，而与破损大小无关。

2.2基于柔度变化的损伤诊断方法

许多学者在利用柔度变化进行损伤诊断方面作了有益的研究，主要原理是：在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数，随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计，这样只要测量前几个低阶模态参数和频率就可获得精度较好的矩阵，根据获得损伤前后的二个柔度矩阵的差值矩阵，求出差值矩阵中各列中的最大元素，通过检查每列中的最大元素就可找出损伤的位置。

2.3基于刚度变化的损伤诊断方法

当一个结构发生损伤时，刚度矩阵所提供的信息一般比质量矩阵多，当结构发生较大损伤时，其刚度将发生显著的变化；但是，结构发生微小的损伤（譬如小于5%）时，这类方法将不能进行损伤识别。

3结构损伤诊断方法的研究发展

3.1结构损伤机理的研究

到目前为止，判断损伤是否存在、如何确定损伤位置和计算损伤量的大小这三个问题仍然是主要问题，而且还无法解决损伤对结构寿命的影响问题。

3.2识别小损伤的研究

对于大型结构，大损伤对系统参数有较大的影响，而小损伤对系统参数影响较小，再加上躁声的影响，上述的许多方法就无法诊断出小损伤。然而，有些大型结构海洋平台、高层建筑、大型桥梁等，小损伤在较短的时间内发展为大损伤。虽然小损伤对系统参数影响较小，但对局部参数影响较大。所以，小损伤的识别是一个很值得研究的方向。

3.3传感器优化布置的研究

结构损伤诊断要求传感器有完整的功能，能测量外部环境状况的变化。具有获得、处理及综合多传感器和多测点信息的信号处理功能。然后，单个传感器和测量传感器系统要能提供这种多元的信息。参数值的估计涉及到代表真实结构数学模型的局限性引起的不确定性、数据中的测量误差、不足的激励和响应带宽等。特别地，结构中传感器的数量和位置对模型参数估算的质量和偏差有主要的影响。因为获得完整的模态数据对于一个大型结构是不可能的，测量只能得到关于有限元模型所有自由度的一部分模态；在桥梁结构中，这种差异会导致模态扩展或有限元模型自由度的截断。不幸的是，这一过程不可避免会引入误差和导致损伤检测难度加大。一种替代的方法是用测量的不完整的模态来检测损伤，然后收集更多相关的信息，可以方便地用于损伤检测。静力和动力数据来自各种安装在测量结构中的传感器，因此，传感器的灵敏度、精确度和位置等对于损伤检测是非常重要的。获得越多的信息，损伤识别就越容易，但必须考虑成本代价，这就是为什么要确定传感器最优化或接近最优化的布置。

3.4基于多学科交叉的损伤诊断方法的研究

由于各类大型复杂结构都有自己的特点，包含了机械工程、建筑工程、材料工程和振动理论等多门学科知识，动力学方法不能够完全取代现有的结构评估中的调查及检测程序。因此，研究结构的损伤诊断，把振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料结构等多学科技术结合起来是一个发展趋势。

3.5分类法

工程结构力学行为具有随机性、模糊性和典型的个性特征，将结构类型及损伤特征进行分类，再用诊断的手段量化损伤特征，也许可以提高诊断的准确性和效率。此外，诊断方法应与结构可靠度理论相联系，而损伤诊断的最终目的就是评估结构的可靠度。

结语：

伴随着现代社会的飞速发展，一些在役建筑物，随着年代的久远已出现不同程度的损害，始终威胁着人们的生命财产安全，对它们的损伤诊断就显得非常迫切，另一方面各种大型复杂的土木工程结构迅速崛起，由于各种土木结构复杂性和其使用时的重要性，必须对出现损伤进行及时诊断。因此，土木工程结构损伤诊断是当前结构工程学科十分活跃的研究领域，这方面的研究具有着广泛而深远的意义。

参考文献：

[1]姜浩.乔丽.土木工程结构损伤诊断方法的研究进展综述[J].吉林建筑工程学院学报2011-10-15

[2]李春源，姜作杰，官志文.土木工程结构损伤检测技术研究概述[J].呼伦贝尔学院学报2013-02-28