土木工程结构损伤诊断研究进展王磊

土木工程结构损伤诊断研究进展王磊

王磊

1传统诊断方法的劣势和新方法的发展

传统的土木结构损伤检测方法有人工目测和超声波、声发射等无损检测技术方法，对于结构整体的性能状况不能很好地预测，也不能实时的对土木结构的健康监测和损伤诊断。所以说，传统的检测方法不能满足土木结构的检测需求，人们一直在探究土木工程结构损伤诊断的新方法。随着人们对土木工程结构损伤诊断的研究，土木工程结构损伤诊断方法得到了创新，目前检测的方法有空间域方法、模态域方法、时域方法和频域方法[1]。空间域方法是根据改变的质量、阻尼和刚度矩阵来确定损伤的位置。模态域方法是根据改变的自振频率、模态阻尼比和模态振型来确定是否损伤。时域方法的系统参数是根据采集的信息直接确定的，具有精度高、耗时的特点。频域方法中模态参数（自振频率、模态阻尼比和模态振型）是确定的，并且广泛应用了谱分析和频率响应函数。上述的四种方法都具有自身的优缺点，比如在频域方法和模态域方法的转换数据存在误差和噪音，空间域方法中质量和刚度矩阵的建模还存在精度不准确的问题。目前阶段，土木结构损伤检测的发展趋势是结合上述几种方法，充分利用他们之间的优势，克服单独方法中存在的缺陷，进而适应损伤检测的复杂性。

2目前损伤检测的方法有哪些

2.1动力参数诊断

结构损伤诊断和健康和监测的目的是,通过确定损伤的位置，进一步确定损伤的程度。动力参数诊断是将检测到的动力参数和基准参数相比较，判断出最可能会导致结构损坏的问题。动力参数诊断方法中用到的参数有帧频、振型、模态曲率、应变模态、能量传递比、功率谱和坐标模态保证原则等。

2.2静力参数诊断

目前阶段，应用最广泛的结构状态评估方法就是静力参数诊断方法，静力参数诊断方法具有静力荷载直观的特点，受到了工程师的欢迎。静力参数诊断方法中的参数有位移、残余力、结构单元刚度、材料参数等。通常在单元层次上，通过对上述参数的分析才判断损伤的程度。有限模型的修正结果需要可靠的有限元模型支持，需要校对测试的模态特性和实验数据，进而得到基准的有限元模型。

2.3子结构分析

在实际的土木工程结构中自由度的数量和未知参数数目多，不利于损伤识别算法的处理，损伤识别算法只适合自由度的数量和未知参数数目少等问题的处理。当结构的损伤只发生在局部结构，大部分的部位是完好的，结构单元的刚度也没有发生改变，就可以采用子结构识别损伤方法。在模型的修正方法中，为了减少修正刚度参数的数量，不仅仅是对单个构件的刚度系数修正，还要对选定的子结构的参数修正，使病态和非唯一性保持在可控的范围内。子结构所期望的是结构的损伤程度小，这样才能更好地确定损伤的位置和损伤的程度[2]。

2.4统计分析

统计学框架内的模型修正方法对大型土木结构健康监测有着非常重要的作用。统计分析方法就特征参数的不确定性和统计分布特征方面展开分析，利用随机有限元模型来判断损伤的程度。常用的统计分析方法有贝叶斯统计方法、规则化方法和模糊逻辑方法等。目前阶段，对这个方法的研究还只是处于研究阶段，但是就目前的发展状况来看，具有很好地发展前景。

2.5神经网络方法

上述四种方法都是基于参数结构模型方法展开的。神经网络方法是目前阶段最受欢迎的非参数识别方法之一[3]。神经网络方法根据原结构可能损伤的部位建立一个标准模拟库，就当前结构的反应来判断结构损伤的程度。传统模式中噪音和模式损失的缺失，在神经元网络算法中完美的解决了。神经网络算法具有容错和不需要研究系统的本质现象等特点，非常适合实际工作中未知模型系统。原始数据库的完整性和算法的可靠性将会影响神经网络方法的有效性。通过研究显示，神经网络方法在大型结构的即时监控方面发挥着积极地作用。

3优化布局传感器

由于外部刺激作用下结构实际的应力和应变所知甚少这是结构损伤诊断的健康控制中面临的主要问题之一。所以说，利用传感器对结构构件的实际性能进行确定是非常重要的。结构健康监测需求有完整功能的传感器，能对外部环境状况的变化进行测量。结构中传感器的数量和位置会对模型的参数产生很大的影响。安装传感器可以为静力和动力参数诊断提供相关的数据，所以说在结构的损伤测量中传感器的灵敏度、精确度和位置是至关重要的。为了测量数据更加的准确，就需要优化传感器的布局。

4发展远景展望

根据土木工程结构损伤诊断研究状况，在今后的发展中，我们还要不断地创新，建立一套土木结构环境激励动态测试和分析系统是非常重要的[4]。为了实现这个系统，需要有较强的数据前处理和数据后处理功能、模态参数识别功能、后处理和可视化功能、较强的设备适应能力和系统轻巧、便携，方便现场实测等优点。由于对结构的健康检测的损伤检测的方法都是根据结构变化的特性来展开的，所以建立一个有限元的结构模型也是非常重要的。在土木结构投入使用之前进行相关的试验，建立起一个有限元的结构模型，作为健康监测和损伤诊断的标准。土木结构损伤的精确定义额和灵敏度损伤的指标也要进行研究。为了更好地实现损伤诊断，还要联合静动力测试信息修正有限元模型，建立起一种可以反映损伤之后的有限元模型。

5总结

在日常生活中，环境因素和非结构构件经常会影响土木工程结构的稳定性，所以对土木结构的健康监测和损伤诊断是非常重要的。通过相关的结构检测方法对损伤的位置和损伤的程度进行判断，进而对损坏的部位进行及时的维修加固。目前阶段，土木结构损伤检测的方法有静力参数诊断方法、动力参数诊断方法、子结构分析法、神经网络分析法和统计分析法等，对于土木结构的损伤诊断方面发挥着积极的作用。

参考文献

[1]结构损伤诊断技术的研究和发展趋势[J].杨仕升,秦荣,邓志恒,谢开仲.广西大学学报(自然科学版),2003(04).

[2]土木工程结构健康监测的现状及发展[J].孙腾阁,朱彤,杨广辉,卞梅,冯俊福.山东建筑工程学院学报,2006(01).

[3]环境振动系统识别方法的比较分析[J].任伟新.福州大学学报(自然科学版),2001(06).

[4]基于振动的结构损伤识别方法的近期研究进展[J].韩大建,王文东.华南理工大学学报,(自然科学版),2003(01).