土木工程結(jié)構(gòu)的性能損傷識別分析

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【摘要】土木工程的結(jié)構(gòu)性能和損傷識別直接關系著土木工程自身的穩(wěn)定性和安全性，因此提高土木工程本身的結(jié)構(gòu)性能是目前土木工程施工人員的工作重點。但是事實上我國目前在土木工程的性能檢測系統(tǒng)以及損傷識別機制上還不是很完善，需要相關部門在實際工作中做出努力和進行完善。

【關鍵詞】土木工程結(jié)構(gòu);性能監(jiān)測系統(tǒng);損傷識別方法

引言

近些年來，我國國內(nèi)外的學者通過建立數(shù)學模型以及對數(shù)值進行模擬等對結(jié)構(gòu)性能進行相關的研究，并取得了實質(zhì)性的進展。同時，基于結(jié)構(gòu)特性，如何提高結(jié)構(gòu)損傷特性以及可靠性，使其為結(jié)構(gòu)損傷以及修葺做出正確判斷是接下來結(jié)構(gòu)工程的工作重點。要想解決這一問題應該將工作重點放在如何對受損結(jié)構(gòu)做出準確的識別和判斷，并對有可能出現(xiàn)的損傷特性進行分析，對損傷結(jié)構(gòu)的可靠度進行評估。社會的不斷進步以及計算機信息技術的融入，使得土木工程的性能檢測以及損傷機制上暴露出越來越多的問題，筆者接下來將對這些問題進行闡述和說明。

1.土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識別方法

（1）局部檢測方法常見的局部檢測方法有目測法以及染色法等，這些技術和方法在應用之前首先需要對結(jié)構(gòu)損傷處的區(qū)域進行大致的了解，以及確保機制能夠準確達到損傷位置，對一些大型復雜的結(jié)構(gòu)不宜使用此方法。（2）整體檢測方法整體檢測方法是指采用損傷前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)來對特征進行調(diào)節(jié)和判斷，通常將整體性檢測方法分成以下幾類：1）動力指紋法動力指紋方法是指通過動力測試來獲得結(jié)構(gòu)特性的定向信息以及對動力做出響應，在這當中衍生出來的物理量叫動力指紋。通過動力指紋法可以對改變量進行及時的分析，進而實現(xiàn)對評估結(jié)構(gòu)分析。在工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷時，會引起響應機構(gòu)發(fā)生響應的變化，因此可以通過指紋動力來反應結(jié)構(gòu)損傷的變化。換句換說，這些動力指紋是結(jié)構(gòu)損傷的直觀表示，可以通過動力指紋的變化來對結(jié)構(gòu)損傷進行診斷。2）模型修正方法這一方法依據(jù)的原理是通過動力試驗數(shù)據(jù)來對條件進行優(yōu)化，以及對結(jié)構(gòu)模型的剛度進行整理和排列，通過收集結(jié)構(gòu)剛度的數(shù)據(jù)進行對接受損傷部位的準確定位。常用此方法來處理子結(jié)構(gòu)，具有較廣的應用范圍。3）神經(jīng)網(wǎng)絡法這種方法是通過模擬人腦神經(jīng)來實現(xiàn)的，是通過單元中互相連接的結(jié)構(gòu)單元來依據(jù)連接權(quán)限獲取信息的一種連接方式。此方法具有較高的容錯率，因此常常使用在計算、記憶以及智能識別的系統(tǒng)中，具有較好的應用前景。4）遺傳算法這種方法是根據(jù)隨機產(chǎn)生的一組解來隨機展開搜索，此方法主要是借助染色體的適用性來對其進行評價，隨機選取種群中任何一個獨立個體展開求解，即為“染色體”。此方法可以實現(xiàn)對染色體的適應性進行篩選，其中適應性強的染色體能夠進入到下一代中，通過迭代的交叉、結(jié)合，染色體實現(xiàn)不斷的優(yōu)化。因此將這一方法應用到結(jié)構(gòu)的損傷識別中，可以在已知信息的條件下，迅速對損傷的位置進行準確判斷，在判斷的過程中即使出現(xiàn)部分信息丟失，也不會對最終的求解產(chǎn)生影響。

2.國內(nèi)外損傷識別與診斷方法現(xiàn)狀

結(jié)構(gòu)損傷識別機制誕生之初是在機械領域。在最初之時，主要是通過連桿以及齒輪等大型機械來認識結(jié)構(gòu)的故障并進行判斷。在20世紀60年代，誕生了無損檢測技術，到了80年代后期，計算機應用技術以及信息技術的發(fā)展大大促進了結(jié)構(gòu)無損技術的發(fā)展，特別是在土木工程中。但是由于早期建筑物出現(xiàn)的損傷率較低，可能危害程度沒有工程項目那么高，因此損傷技術的發(fā)展相對緩慢，而且大多數(shù)還屬于可靠性評估。進入20世紀以來，無損技術獲得了較大的發(fā)展，并制定了相應的規(guī)范標準來約束其發(fā)展，綜合評價的提出使得結(jié)構(gòu)損傷機制朝著更加智能化的方向發(fā)展。我國的土木工程損傷識別技術起步較晚，主要在20世紀70年代之后才開始逐步結(jié)合可靠性評估和安全鑒定工作進行發(fā)展。3.土木結(jié)構(gòu)損傷識別中存在的主要問題（1）結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)了誤差目前，人們對土木工程在結(jié)構(gòu)損傷的相關預測都是在一定的環(huán)境條件下實現(xiàn)的。在規(guī)定的條件下，將客觀的系統(tǒng)抽象為具體的具有一定模型參數(shù)和形式的數(shù)學模型。但是在進行模型化的過程中，特別是在一些大型的土木工程系統(tǒng)中，自身的復雜性提高了處理過程的隨機性，也就提高了結(jié)構(gòu)過程中的誤差率。因此在處理過程中必須要引入一些結(jié)構(gòu)鏈接以及邊界條件進行假設和設定，因此結(jié)構(gòu)模型不能準確反映出結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的一些問題，特別是一些細節(jié)問題，這就導致結(jié)構(gòu)模型自身出現(xiàn)較多的不確定性。隨著新理論和新模型的提出，土木工程建設過程中需要不斷提升性能，提高自身的精確度，這也是對結(jié)構(gòu)識別方法進行改進的主要目的。在土木工程結(jié)構(gòu)模型建立的過程中由于存在誤差，如果不及時對誤差進行準確分析，可能會導致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷方面的問題，因此如何處理好結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)的誤差是土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別接下來的工作重心。（2）實測數(shù)據(jù)的不完整性在土木損傷識別中存在的主要問題也是實測數(shù)據(jù)的不完整性。目前，很多的土木結(jié)構(gòu)損傷的識別方法在設定結(jié)構(gòu)模型上具有相同的自由度。然而由于條件的限制，可能會存在數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)不完整性。實測數(shù)據(jù)的不完整會使結(jié)構(gòu)傳感器只是安裝在一些顯眼的位置上，傳感器在一些特殊部位上較為稀疏。同時由于實測數(shù)據(jù)的不完整可能導致結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)不完整。因此，如何解決實測數(shù)據(jù)的不完整度是解決結(jié)構(gòu)損傷識別的主要問題。（3）實測數(shù)據(jù)的不精確性在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理過程中，可能會因為電子信息的隨機處理誤差導致傳感器在信息的傳遞上存在一定的質(zhì)量問題，導致信號的處理和識別的最終結(jié)果可能不準確。這些都可以認為是實際測試數(shù)據(jù)不精確導致的。因此在對土木結(jié)構(gòu)進行損傷識別的過程中，需要進一步提高檢測數(shù)據(jù)的精確度，避免不必要的誤差。為了實現(xiàn)實測自由度和模型自由度盡可能匹配，可以采取模型縮聚和模態(tài)擴展的方法來盡可能地減少誤差。另外，結(jié)構(gòu)特性發(fā)生改變也可能導致結(jié)構(gòu)改變，但是這一因果關系常常被數(shù)據(jù)誤差掩蓋，人們往往錯誤地以為是數(shù)據(jù)誤差導致的結(jié)構(gòu)改變，而忽視了結(jié)構(gòu)特性這一因素。因此檢測系統(tǒng)也就無法順利地完成識別。但是在土木結(jié)構(gòu)進行損傷識別的過程中，有些因素是不能避免的，這是無法順利消除損傷的原因。因此，這些因素也是制約結(jié)構(gòu)損傷識別技術進一步發(fā)展的主要原因。結(jié)束語綜上所述，相關部門和相關工作人員在實際工作過程中需要不斷加強對土木工程結(jié)構(gòu)性能檢測系統(tǒng)的構(gòu)建以及加強對損傷識別方法的研究，從而達到提高土木工程結(jié)構(gòu)性的目的，進而有效提高結(jié)構(gòu)性能檢測的準確度和精準度，提高土木工程的安全性，為人民財產(chǎn)的安全做好保障。

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作者:李坤 單位:四川省建筑科學研究院