浅议土木结构损伤及其诊断方法.doc

1、浅议土木结构损伤及其诊断方法摘要：建筑结构在使用过程中，微观层面上随着时间推移不断变化的，逐渐出现材料强度和结构刚度的力学性能降低，在宏观层面上出现结构的裂缝积累、腐蚀和变形等损伤。土木工程结构的损伤诊断在这个背景下慢慢得到重视，成为研究热点。本文介绍了现阶段应用比较普遍的结构损伤诊断方法，阐述了结构损伤诊断方法的特点，并比较分析其优缺点。 关键词：土木结构；损伤；诊断 中图分类号：S969.1 文献标识码：A 0 绪论 目前，土木结构中直接关于结构设计的研究和应用早已趋于成熟，而实际工程中在使用和管理方面的研究却比较少，尤其是结构损伤，一般就需要判断结构的状态，才能对结构损伤的程度有更直接的

2、了解。 现在，结构损伤诊断方法的理论研究尚处于初级阶段，还不够成熟。以损伤力学为例，在实验室中以较小尺度的构件为主要的研究对象，而真实结构无论在规模还是复杂程度上都远大于实验室情况，所以难以直接应用于实际工程。 结构损伤诊断是典型的使用阶段问题，其特点是多损伤分布，并且集中在结构空间体系，损伤成因和程度，与其症状之间存在着复杂关系，求解因素的不确定性、随机性、模糊性、未确知性都需要经验判断。现代结构工程的发展，应该考虑包括设计、施工、维修的全过程，而非单纯考虑正常工作。实际上，不仅要设计与施工的合理性，更要研究结构性能和结构损伤诊断技术的变化，开展在整个服役期间的相关研究。 1 结构损伤诊断定

3、义 结构损伤，其定义为结构的原有形态收到破坏之后，损伤使得结构的物理状态空间表现为柔度加大和刚度减小，模态状态空间表现为周期加长，所以频率缩短。所以结构损伤的主要诊断思路，就是结构损伤会发生结构刚度、阻尼和内力的变化，在做出适当的变化估计之后，就能给结构损伤提供量化评估的方法。损伤的诊断分为几个方面：（1）损伤位置确定；（2）结构损伤的发生预估；（3）剩余使用时间的评估与维护方法；（4）损伤程度判定。 2 结构损伤诊断方法 2.1 传统诊断方法 传统诊断方法有超声波、声发射和 x 射线的无损检测、外观检查还有抽样调查，这些都是用于局部缺陷以及材料特性的测试，在做测试的时候需要事先知道结构损伤的

4、大致部分，并可人为接近，否则难以进行。检测出来的结果依赖于检查者的经验，难以定量地整体把握。 2.2 静力试验方法 静力试验方法是检测方法中比较稳妥和固定的方法，得到了较普遍的应用。是对结构施加静力荷载，将实测结果带入之前建立的静力平衡方程，可算得如结构刚度、结构位移、弹性模量、惯性矩等静力参数，对上述的残差分析可以在单元的层面上进行损伤的识别。 2.3 动力学损伤诊断方法 动力学损伤诊断方法依据有无结构模型的情况，分为有模型的诊断方法和无模型的诊断方法，方法是根据结构的动力特性和物理参数存在的关系，将固有频率、振型和阻尼比，以及刚度、质量和材料的本构关系一一对应为基本原理。因为结构的损伤必然

5、产生结构的物理和动力特性参数的变动，所以可以通过动力测试来得到动力参数变动的情况，从而判定结构的损伤。 2.3.1 无模型诊断方法 无模型的诊断方法直接从结构的振动响应时程、频谱或者时频分析中得到特征量，而无需对结构模型本身的机构属性进行提取。 无模型的诊断方法有三种主要分类，分别为：时域法、时频法和频域法。 时域法：时域方法主要有卡尔曼滤波法和自回归滑动平均模型法。利用奇异值分解技术在加速度时域信息中构造残差量，求解定立的方程组，可以验证无模型诊断方法的时域方法的有效性。 时频法：原有的以傅立叶变换为主的信号分解方法用新的信号分解方法代替之，如小波变换推导了多尺度结构动力特性方程，通过计算机

6、的数值模拟，增加检测结果的准确性和可靠性。 频域法：利用频响函数构造损伤诊断指标，如用波形识别指标、功率模态概念、功率密度的均方根指标等，对线性材料定位早起损伤。 2.3.2 有模型诊断方法 有模型的诊断方法在结构工程领域的损伤诊断中应用的最多，该方法利用结构动力特征的变化对结构进行损伤诊断，是必须基于结构模型本身的。 常用的有模型诊断方法为： 有模型的无反演损伤指标定位方法 该方法是直接由试验模型分析得到的组合变换或者模型参数形成一个损伤识别指标，基于位移振型、振型曲率、固有频率、模态应变能、应变模态、柔度矩阵、残余力向量等动力参数，利用损伤前后的参数变化来判断损伤情况，如损伤的位置、程度等

7、。它必须满足以下条件：损伤参数为局部区间的量值，结构损伤位置为变量，而损伤位置的敏感度为它的单调函数；在损伤位置有明显的峰值效应；有明显的位置坐标等。位移振型 COMAC 用来衡量每个自由度上振型的相互关系，MAC 则是用来衡量模态间振型的各种关系的，所以改进的模态置信判据 COMAC 就是根据这些位移振型提出来的。 振型曲率 用振型曲率的前后变化和与结构构件的关系可以进行结构损伤的诊断。梁结构杆件：V=M/EL，梁截面对应的弯矩、曲率、弯曲刚度的变化都可能引起曲率变动，因此损伤前后弯曲曲率的差值可以通过梁弯曲刚度与截面曲率的反比关系来判定位置。 固有频率 固有频率的改变，不同位置不同程度的损

8、伤会在相同位置和相同程度的频率上产生变化，以及杆件不均一、支座条件、测量噪音、结构附属物的变化，可判定损伤的存在。但会导致基本自振频率的改变对局部损伤不敏感。 模态应变能 结构单元模态应变能分布，与单元的刚度和振型的分量有关。定义为第 j 个单元关于第 i 阶模态的单元模态应变能 MSEij=iTKji。将单元模态应变能的改变程度当成结构损伤的因素。结构在损伤的前后次序，利用单元模态的应变能的改变来判断损伤。本方法多阶模态的叠加有助于防噪能力提高。 基于模型的反演损伤识别方法 通过损伤前后的结构物理参数向量变化的情况，可以判定损伤位置和程度。 灵敏度法 灵敏度法是分别将结构有限元模型分析和结构

9、试验数据中的模态参数看作物理参数的函数，用灵敏度矩阵进行一阶二阶泰勒展开，对结果进行比较。 人工神经网络法 人工神经网络具有滤出噪音及在有噪音情况正确工作，自学习、记忆、联想、模式匹配的能力，具有分辨损伤类型及原因的能力。 小波分析和 Hibet 变换 为检测结构的非线性，要利用小波变换分析结构损伤前后的时域和频域响应，以诸如高次谐波、亚谐波以及混沌现象等非线性系统响应的动力特性为对象入手。 系统识别与模型修正 系统辨别是在输入输出的基础上，按照一定的准则建立和修正反映系统本质属性的数学模型。 3 问题与前景 诊断过程中，数据的积累往往不足，通过大量试验来获得数据，浪费现象较严重，应建立合理的

10、数值分析模型，这是具有重大意义的。发出较高阶的模太对于桥梁等大型土木工程结构在外界条件下的检测影响较大，研究对结构进行低阶模态的有效的模拟。非线性和动力特性变异对结构损伤诊断带来一些问题，这些方面还需要进一步研究。 4 结论 结构损伤诊断作为一门新兴的需要多个学科综合交叉的学科，在研究和应用中都取得了一定进展，但其中成因和机理复杂，仍有较大的不确定性和人为因素，所以值得研究的价值很大。 参考文献： 1郭国会. 桥梁结构动力损伤诊断方法研究D.湖南大学,2001. 2宗周红,任伟新,阮毅. 土木工程结构损伤诊断研究进展J. 土木工程学报,2003,05:105-110. 3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,2011,05:1-4. 4陈伟. 应用神经网络技术的框架结构节点损伤诊断研究D.武汉理工大学,2002. 5任宜春. 基于小波分析的结构损伤诊断方法研究D.湖南大学,2004. 6樊海涛,何益斌,周绪红. 基于 Hilbert-Huang 变换的结构损伤诊断方法研究J. 建筑结构学报,2006,06:114-122. 7刘小民,刘与行. 土木工程结构损伤诊断研究进展J. 陕西建筑,2006,01:30-34.