土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷探析
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摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土木工程的發(fā)展逐漸得到人們的廣泛關(guān)注，其中，土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷更是得到相關(guān)學(xué)者的高度重視。簡(jiǎn)要分析了結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別診斷在土木工程結(jié)構(gòu)中扮演不可或缺的角色，以及國(guó)內(nèi)外損傷識(shí)別與診斷方法現(xiàn)狀，并深入研究了用于土木工程結(jié)構(gòu)的各種損傷識(shí)別與診斷方法，最后提出了土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷方法及其相應(yīng)的發(fā)展方向。旨在有效的幫助開(kāi)展土木工程相關(guān)工作，更好地為人們服務(wù)。
關(guān)鍵詞：土木工程結(jié)構(gòu);損傷識(shí)別；損傷診斷
由于近些年來(lái)，相關(guān)的國(guó)內(nèi)外學(xué)者借助于模型試驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬等方法，進(jìn)而針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的相關(guān)性能進(jìn)行了細(xì)致的分析與探討，也取得了有價(jià)值的科研成果以及一定程度的研究進(jìn)展。除此之外，針對(duì)土木工程自身的結(jié)構(gòu)特性，進(jìn)而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)受到損傷結(jié)構(gòu)的可靠性以及損傷特性，由此一來(lái)，能夠很好的對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的損傷情況與修繕情況做出正確的判斷，與此同時(shí)，這些問(wèn)題也是現(xiàn)階段土木工程結(jié)構(gòu)即將面臨的重要課題。當(dāng)前，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)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(shí)，這幾種解決方法的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？傊槍?duì)受損土木工程結(jié)構(gòu)做出正確的診斷以及識(shí)別，是解決此類問(wèn)題的重點(diǎn)。與此同時(shí)，針對(duì)可能出現(xiàn)的損傷特性進(jìn)行深入研究以及分析，并將其受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全度評(píng)估，已經(jīng)逐漸成為土木工程結(jié)構(gòu)探討的一個(gè)全新的領(lǐng)域。
1國(guó)內(nèi)外損傷識(shí)別與診斷方法現(xiàn)狀
現(xiàn)階段，土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。人們很早就開(kāi)始針對(duì)齒輪以及連桿等一系列零件組成的大型機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)的故障診斷。直到上世紀(jì)中葉，結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到不斷的發(fā)展。上世紀(jì)末開(kāi)始，人工智能、信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)，逐漸被應(yīng)用在結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)與診斷領(lǐng)域。隨著一系列的技術(shù)不斷的創(chuàng)新與應(yīng)用，使得土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷分析變的簡(jiǎn)便與準(zhǔn)確。目前，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在建筑物建成初期的出現(xiàn)損傷頻率相對(duì)不高，且其危害程度遠(yuǎn)不如機(jī)械工程，與此同時(shí)，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(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)技術(shù)不夠成熟，很大一部分技術(shù)處于結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估階段。眾所周知，上世紀(jì)初期是土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)探索階段，其工作重點(diǎn)是針對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷的修理方法以及分析的探討。到了上世紀(jì)中期就是結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)診斷的發(fā)展階段，其工作重點(diǎn)是針對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法的探討，與此同時(shí)，出現(xiàn)了物理檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)以及有損檢測(cè)等檢測(cè)方法。上世紀(jì)后期以來(lái)，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)診斷技術(shù)趨于成熟，并相應(yīng)的制定了標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，與此同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了綜合評(píng)價(jià)，以至于土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)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(guó)的土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷仍處于起步階段，發(fā)展時(shí)間較短，只是隨著抗風(fēng)研究以及結(jié)構(gòu)抗震的不斷發(fā)展，才不斷基于安全鑒定以及可靠性評(píng)估進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)診斷領(lǐng)域的分析。現(xiàn)階段，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外許多相關(guān)學(xué)者逐漸借助于可行的方法，繼而針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行診斷以及識(shí)別。眾所周知，最近幾十年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)逐漸在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展了嚴(yán)密的分析。像Kunihiko等借助于有限元計(jì)算模型產(chǎn)生的樣本訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，從而明確的識(shí)別已知相應(yīng)的條件下結(jié)構(gòu)的損傷程度以及狀態(tài);Mannan等深入研究了用實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)來(lái)診斷損傷。Yu等借助于動(dòng)力反應(yīng)研究的相關(guān)方法，并進(jìn)一步借助于攝動(dòng)理論的特征值來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷。Chen等借助于人工免疫模式識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，并針對(duì)損傷的厲害程度進(jìn)行相應(yīng)的分類。Xie將SVM用于復(fù)合結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別中，分析結(jié)果顯示支持向量機(jī)方法具有較高的識(shí)別精度。Leonardo等借助于變分方法評(píng)估大型空間結(jié)構(gòu)的損傷。Curadelli等借助于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼的測(cè)試。
2結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷方法
通常情況下，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷工作大致分為以下幾個(gè)階段:預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命;確定結(jié)構(gòu)損傷的程度;確定結(jié)構(gòu)損傷的位置;確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷。一般的，借助于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷方法運(yùn)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及測(cè)試技術(shù)進(jìn)行整體檢測(cè)。其在很大程度上是基于結(jié)構(gòu)的損傷以及整體失穩(wěn)的發(fā)生都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的變化，并借助于固有頻率降低以及診斷結(jié)構(gòu)剛度減小等，從而進(jìn)一步準(zhǔn)確的判斷結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際狀況。
2.1局部檢測(cè)技術(shù)
通常情況下，局部檢測(cè)技術(shù)主要包括射線法、聲發(fā)射法、目測(cè)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(shù)能夠用來(lái)準(zhǔn)確的檢查相應(yīng)部件的裂縫位置。與此同時(shí)，在整個(gè)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的過(guò)程中，通常借助于以下幾種技術(shù)，并結(jié)合使用來(lái)共同識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)?？傊?，其檢測(cè)方法通常情況下有以下幾種:射線檢測(cè)技術(shù)，即利用射線對(duì)結(jié)構(gòu)損傷情況進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，從而識(shí)別結(jié)構(gòu)缺陷的位置以及形狀，進(jìn)而可以準(zhǔn)確的判斷出結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際情況；超聲波檢測(cè)技術(shù)，借助于脈沖波自身通過(guò)不同種類的介質(zhì)能夠產(chǎn)生反射的特性，與此同時(shí)，參照波在不同的介質(zhì)材料中，相應(yīng)的衰減程度不盡相同，由此能夠針對(duì)材料中的不同種類的缺陷進(jìn)行識(shí)別;聲發(fā)射法，即用發(fā)射器將發(fā)射的彈性波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并把電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后得到相應(yīng)的特征參數(shù)，由此一來(lái)，能夠在一定程度上推測(cè)結(jié)構(gòu)材料缺陷的位置。
2.2整體檢測(cè)技術(shù)
2.2.1動(dòng)力特性識(shí)別法
眾所周知，大綱結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷之后，其剛度以及質(zhì)量等參數(shù)會(huì)在一定程度上發(fā)生改變，進(jìn)而極大的影響其自身的動(dòng)力特性發(fā)生相應(yīng)的變化。與此同時(shí)，動(dòng)力自身特性的改變能夠在一定程度上當(dāng)作結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的標(biāo)志，并以此標(biāo)志識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷，并準(zhǔn)確的診斷結(jié)構(gòu)的損傷程度。
2.2.2模型修正與系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)
現(xiàn)階段，系統(tǒng)識(shí)別法以及模型修正法是借助于模型構(gòu)造優(yōu)化約束條件以及動(dòng)力測(cè)試方法，并且在一定程度上修正結(jié)構(gòu)的阻尼、剛度以及質(zhì)量等特性，以至于其測(cè)試獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本等于最大響應(yīng)，并逐漸將修正后的基線模型矩陣以及模型矩陣進(jìn)行比較，以此完成針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別與診斷。與此同時(shí)，該方法在處理子結(jié)構(gòu)模型以及劃分結(jié)構(gòu)單元上具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)闇y(cè)試參數(shù)不敏感、測(cè)量噪聲強(qiáng)與模型誤差大等因素，也使的該方法在結(jié)構(gòu)損傷診斷過(guò)程中受到了一定的約束。除此之外，現(xiàn)階段模態(tài)試驗(yàn)測(cè)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(luò)技術(shù)
目前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是借助于模擬人體神經(jīng)機(jī)理，進(jìn)而進(jìn)行分析與研究客觀事物的方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兼具自我學(xué)習(xí)功能以及計(jì)算機(jī)并行計(jì)算能力，與此同時(shí)，該技術(shù)還具有強(qiáng)大的容錯(cuò)性，并且善于擴(kuò)散、綜合以及聯(lián)想，借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的墨水識(shí)別能夠很好的解決模式損失以及高噪聲等問(wèn)題，使其已經(jīng)成為了一項(xiàng)土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與診斷的有效工具。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理是借助于研究結(jié)構(gòu)在各種不同狀態(tài)下的相應(yīng)反應(yīng)，從而相應(yīng)的提取出結(jié)構(gòu)的特征值，進(jìn)而以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入向量當(dāng)作結(jié)構(gòu)損傷敏感的參數(shù)，再相應(yīng)的輸出結(jié)構(gòu)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(guān)系，與此同時(shí)，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著模式分類能力，能夠在一定程度上反映出結(jié)構(gòu)損傷的模式。除此之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自身特性決定其具備強(qiáng)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(shí)別，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(shù)
上世紀(jì)中期，提出了遺傳算法技術(shù)，該方法在一定程度上是參照達(dá)爾文進(jìn)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(shí)，能夠用此方法進(jìn)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(jì)算各目標(biāo)解，并借助于共同搜索多個(gè)線索的方式，從而對(duì)目標(biāo)解進(jìn)行優(yōu)化，總之，遺傳方法適用性強(qiáng)，且操作簡(jiǎn)單。因此，能夠在信息量相對(duì)較少的情況下，從而借助于遺傳算法來(lái)判定結(jié)構(gòu)損傷程度以及位置，就算是結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息偶爾丟失了，借助于遺傳算法也會(huì)發(fā)揮其損傷診斷以及識(shí)別能力，進(jìn)而不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。
結(jié)束語(yǔ)
總之，土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷分析已經(jīng)得到人們的廣泛關(guān)注，也取得了一定研究成果。但我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)階段我國(guó)針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷問(wèn)題仍處于起步階段，其發(fā)展進(jìn)程任重道遠(yuǎn)，需要我們不斷的學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。通常情況下，針對(duì)整個(gè)在使用過(guò)程中各種復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與診斷，必須進(jìn)一步分析與研究諸多問(wèn)題?，F(xiàn)階段，針對(duì)工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別與診斷的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面:必須借助于非線性的損傷檢測(cè)技術(shù)，仔細(xì)分析工程結(jié)構(gòu)的非線性的程度，并借助于不同強(qiáng)弱程度的非線性進(jìn)行研究與探討；與此同時(shí)，選擇的特征量一定要敏感而且可以準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而發(fā)展更為適用以及可靠的損傷判別指標(biāo)，從而有助于結(jié)構(gòu)損傷判定；因?yàn)檫z傳算法技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在數(shù)據(jù)處理以及非線性識(shí)別等方面的優(yōu)勢(shì)，所以，可以預(yù)見(jiàn)的是這兩種技術(shù)在結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和診斷方面具有相對(duì)較好的應(yīng)用前景；因?yàn)橄鄳?yīng)的損傷識(shí)別與診斷在工程結(jié)構(gòu)上的實(shí)際應(yīng)用不多，有必要對(duì)識(shí)別與檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)不同的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種損傷試驗(yàn)，以至于使得這些方法得到廣泛應(yīng)用?；趯?duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的幾種技術(shù)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(shí)，我國(guó)的相關(guān)學(xué)者應(yīng)該加大相關(guān)的分析與研究的力度，相關(guān)政府部門也要給予相應(yīng)的資金資助，一些開(kāi)設(shè)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(jié)構(gòu)損傷診斷提供便利條件以及以后的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文通過(guò)深入探討土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷，旨在讓人們直觀的認(rèn)識(shí)到土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的本質(zhì)，以至于加快發(fā)展土木工程結(jié)構(gòu)損傷斷的力度，更好地為人們生活的健康和舒適服務(wù)。
作者：黃朝陽(yáng) 單位：西京學(xué)院
