土木工程結構損傷診斷探析

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摘要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，土木工程的發(fā)展逐漸得到人們的廣泛關注，其中，土木工程結構損傷診斷更是得到相關學者的高度重視。簡要分析了結構損傷識別診斷在土木工程結構中扮演不可或缺的角色，以及國內(nèi)外損傷識別與診斷方法現(xiàn)狀，并深入研究了用于土木工程結構的各種損傷識別與診斷方法，最后提出了土木工程結構損傷識別與診斷方法及其相應的發(fā)展方向。旨在有效的幫助開展土木工程相關工作，更好地為人們服務。

關鍵詞：土木工程結構;損傷識別；損傷診斷

由于近些年來，相關的國內(nèi)外學者借助于模型試驗、理論分析以及數(shù)值模擬等方法，進而針對土木工程結構的相關性能進行了細致的分析與探討，也取得了有價值的科研成果以及一定程度的研究進展。除此之外，針對土木工程自身的結構特性，進而準確的評價受到損傷結構的可靠性以及損傷特性，由此一來，能夠很好的對土木工程結構的損傷情況與修繕情況做出正確的判斷，與此同時，這些問題也是現(xiàn)階段土木工程結構即將面臨的重要課題。當前，針對土木工程結構損傷診斷方面的諸多亟待解決的難題，本文提出了幾種有效的解決辦法，與此同時，這幾種解決方法的應用越來越廣泛。總之，針對受損土木工程結構做出正確的診斷以及識別，是解決此類問題的重點。與此同時，針對可能出現(xiàn)的損傷特性進行深入研究以及分析，并將其受損結構進行安全度評估，已經(jīng)逐漸成為土木工程結構探討的一個全新的領域。

1國內(nèi)外損傷識別與診斷方法現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，土木工程結構損傷識別在機械領域的應用極為廣泛。人們很早就開始針對齒輪以及連桿等一系列零件組成的大型機械進行結構的故障診斷。直到上世紀中葉，結構無損檢測技術得到不斷的發(fā)展。上世紀末開始，人工智能、信息技術以及計算機技術等學科的知識，逐漸被應用在結構損傷檢測與診斷領域。隨著一系列的技術不斷的創(chuàng)新與應用，使得土木工程結構損傷診斷分析變的簡便與準確。目前，針對土木工程結構來說，在建筑物建成初期的出現(xiàn)損傷頻率相對不高，且其危害程度遠不如機械工程，與此同時，能夠在一定程度上允許帶損傷工作，因此，相比之下，土木工程的結構損傷檢測技術不夠成熟，很大一部分技術處于結構可靠性評估階段。眾所周知，上世紀初期是土木工程結構損傷檢測探索階段，其工作重點是針對結構缺陷的修理方法以及分析的探討。到了上世紀中期就是結構損傷檢測診斷的發(fā)展階段，其工作重點是針對相應的結構檢測方法的探討，與此同時，出現(xiàn)了物理檢測、無損檢測以及有損檢測等檢測方法。上世紀后期以來，土木工程結構的損傷檢測診斷技術趨于成熟，并相應的制定了標準與規(guī)范，與此同時，強調(diào)了綜合評價，以至于土木工程結構的損傷識別與診斷工作，逐漸朝著智能化的方向發(fā)展。眾所周知，現(xiàn)階段我國的土木工程結構損傷識別與診斷仍處于起步階段，發(fā)展時間較短，只是隨著抗風研究以及結構抗震的不斷發(fā)展，才不斷基于安全鑒定以及可靠性評估進行土木工程結構損傷檢測診斷領域的分析?，F(xiàn)階段，經(jīng)過國內(nèi)外許多相關學者逐漸借助于可行的方法，繼而針對土木工程結構損傷進行診斷以及識別。眾所周知，最近幾十年以來，國內(nèi)外已經(jīng)逐漸在結構損傷識別與診斷技術領域開展了嚴密的分析。像Kunihiko等借助于有限元計算模型產(chǎn)生的樣本訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，從而明確的識別已知相應的條件下結構的損傷程度以及狀態(tài);Mannan等深入研究了用實測結構頻響函數(shù)來診斷損傷。Yu等借助于動力反應研究的相關方法，并進一步借助于攝動理論的特征值來檢測結構的損傷。Chen等借助于人工免疫模式識別結構損傷，并針對損傷的厲害程度進行相應的分類。Xie將SVM用于復合結構的損傷識別中，分析結果顯示支持向量機方法具有較高的識別精度。Leonardo等借助于變分方法評估大型空間結構的損傷。Curadelli等借助于對結構進行損傷識別，對結構阻尼的測試。

2結構損傷識別與診斷方法

通常情況下，結構損傷識別與診斷工作大致分為以下幾個階段:預測結構的剩余使用壽命;確定結構損傷的程度;確定結構損傷的位置;確定結構是否存在損傷。一般的，借助于結構損傷識別與診斷方法運用數(shù)據(jù)處理技術以及測試技術進行整體檢測。其在很大程度上是基于結構的損傷以及整體失穩(wěn)的發(fā)生都會導致結構動力性能的變化，并借助于固有頻率降低以及診斷結構剛度減小等，從而進一步準確的判斷結構損傷的實際狀況。

2.1局部檢測技術

通常情況下，局部檢測技術主要包括射線法、聲發(fā)射法、目測法、回彈法、脈沖回波法以及發(fā)射光譜法等。一般的，上述的這些技術能夠用來準確的檢查相應部件的裂縫位置。與此同時，在整個結構檢測的過程中，通常借助于以下幾種技術，并結合使用來共同識別結構的損傷狀態(tài)?？傊?，其檢測方法通常情況下有以下幾種:射線檢測技術，即利用射線對結構損傷情況進行相應的檢測，從而識別結構缺陷的位置以及形狀，進而可以準確的判斷出結構損傷的實際情況；超聲波檢測技術，借助于脈沖波自身通過不同種類的介質(zhì)能夠產(chǎn)生反射的特性，與此同時，參照波在不同的介質(zhì)材料中，相應的衰減程度不盡相同，由此能夠針對材料中的不同種類的缺陷進行識別;聲發(fā)射法，即用發(fā)射器將發(fā)射的彈性波信號轉換為電信號，并把電信號經(jīng)過處理之后得到相應的特征參數(shù)，由此一來，能夠在一定程度上推測結構材料缺陷的位置。

2.2整體檢測技術

2.2.1動力特性識別法

眾所周知，大綱結構發(fā)生損傷之后，其剛度以及質(zhì)量等參數(shù)會在一定程度上發(fā)生改變，進而極大的影響其自身的動力特性發(fā)生相應的變化。與此同時，動力自身特性的改變能夠在一定程度上當作結構損傷發(fā)生的標志，并以此標志識別結構的損傷，并準確的診斷結構的損傷程度。

2.2.2模型修正與系統(tǒng)識別技術

現(xiàn)階段，系統(tǒng)識別法以及模型修正法是借助于模型構造優(yōu)化約束條件以及動力測試方法，并且在一定程度上修正結構的阻尼、剛度以及質(zhì)量等特性，以至于其測試獲得的結構響應基本等于最大響應，并逐漸將修正后的基線模型矩陣以及模型矩陣進行比較，以此完成針對結構損傷的識別與診斷。與此同時，該方法在處理子結構模型以及劃分結構單元上具有諸多優(yōu)點，但因為測試參數(shù)不敏感、測量噪聲強與模型誤差大等因素，也使的該方法在結構損傷診斷過程中受到了一定的約束。除此之外，現(xiàn)階段模態(tài)試驗測得的模態(tài)信息還不夠成熟和完備，因此，在很大程度上引起了特征方程求解中的不是很穩(wěn)定。

2.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡技術

目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術主要是借助于模擬人體神經(jīng)機理，進而進行分析與研究客觀事物的方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術兼具自我學習功能以及計算機并行計算能力，與此同時，該技術還具有強大的容錯性，并且善于擴散、綜合以及聯(lián)想，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡算法的墨水識別能夠很好的解決模式損失以及高噪聲等問題，使其已經(jīng)成為了一項土木工程結構損傷識別與診斷的有效工具。人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的原理是借助于研究結構在各種不同狀態(tài)下的相應反應，從而相應的提取出結構的特征值，進而以神經(jīng)網(wǎng)絡輸入向量當作結構損傷敏感的參數(shù)，再相應的輸出結構的不同損傷狀態(tài)，并逐漸有序的建立起輸出損傷狀態(tài)以及輸入?yún)?shù)之間的特征關系，與此同時，訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡有著模式分類能力，能夠在一定程度上反映出結構損傷的模式。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的自身特性決定其具備強非線性的映射能力，從而極大的適合于非線性模式分類以及識別，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術和模型修正法相比，前者的適用范圍更加廣泛。

2.2.4遺傳算法技術

上世紀中期，提出了遺傳算法技術，該方法在一定程度上是參照達爾文進化論中優(yōu)勝劣汰，適者生存的原則，從而找尋其中的最優(yōu)者，與此同時，能夠用此方法進一步得到滿足要求的最優(yōu)解。通常情況下，遺傳算法不需要借助于連續(xù)性的信息，一般的，只需要計算各目標解，并借助于共同搜索多個線索的方式，從而對目標解進行優(yōu)化，總之，遺傳方法適用性強，且操作簡單。因此，能夠在信息量相對較少的情況下，從而借助于遺傳算法來判定結構損傷程度以及位置，就算是結構的模態(tài)信息偶爾丟失了，借助于遺傳算法也會發(fā)揮其損傷診斷以及識別能力，進而不會對結果產(chǎn)生影響。

結束語

總之，土木工程結構損傷診斷分析已經(jīng)得到人們的廣泛關注，也取得了一定研究成果。但我們應該清楚的認識到，現(xiàn)階段我國針對土木工程結構損傷診斷問題仍處于起步階段，其發(fā)展進程任重道遠，需要我們不斷的學習與創(chuàng)新。通常情況下，針對整個在使用過程中各種復雜工程結構的損傷識別與診斷，必須進一步分析與研究諸多問題?，F(xiàn)階段，針對工程結構的損傷識別與診斷的發(fā)展方向主要有以下幾個方面:必須借助于非線性的損傷檢測技術，仔細分析工程結構的非線性的程度，并借助于不同強弱程度的非線性進行研究與探討；與此同時，選擇的特征量一定要敏感而且可以準確測量，進而發(fā)展更為適用以及可靠的損傷判別指標，從而有助于結構損傷判定；因為遺傳算法技術以及神經(jīng)網(wǎng)絡技術在數(shù)據(jù)處理以及非線性識別等方面的優(yōu)勢，所以，可以預見的是這兩種技術在結構的損傷識別和診斷方面具有相對較好的應用前景；因為相應的損傷識別與診斷在工程結構上的實際應用不多，有必要對識別與檢測方法進行驗證，對不同的工程結構進行各種損傷試驗，以至于使得這些方法得到廣泛應用?；趯ν聊竟こ探Y構損傷診斷的幾種技術分析與研究，使得土木工程正向著有條不紊的方向發(fā)展。與此同時，我國的相關學者應該加大相關的分析與研究的力度，相關政府部門也要給予相應的資金資助，一些開設土木工程課程的高校也要加大重視程度，共同為土木工程結構損傷診斷提供便利條件以及以后的發(fā)展打下堅實的基礎。本文通過深入探討土木工程結構損傷診斷，旨在讓人們直觀的認識到土木工程結構損傷診斷的本質(zhì)，以至于加快發(fā)展土木工程結構損傷斷的力度，更好地為人們生活的健康和舒適服務。

作者：黃朝陽 單位：西京學院