李 言

(1重慶交通大學(xué)土木工程系 重慶 400041)

大型結(jié)構(gòu)物損傷識(shí)別方法研究及展望

李 言

(1重慶交通大學(xué)土木工程系 重慶 400041)

隨著時(shí)代發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)物如雨后春筍般出現(xiàn)。針對(duì)如此多的大型結(jié)構(gòu)，及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的損傷，避免結(jié)構(gòu)物因后期的維修和加固帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，避免其突然破壞，無疑具有十分重大的理論意義和經(jīng)濟(jì)效益。本文先從概念上指出結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別可以劃分的幾個(gè)層次，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的新方法提出了展望。

大型結(jié)構(gòu)物；損傷識(shí)別；研究進(jìn)展

1 引言

21世紀(jì)以來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，世界各國特別是像中國這種發(fā)展中國家正在大量的進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其規(guī)模也是越來越大。在這種大背景下，工程師們對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全性的需求也是越來越顯著。結(jié)構(gòu)的安全性能得不到滿足，對(duì)于后期的維修和加固將產(chǎn)生巨額的費(fèi)用，甚至是發(fā)生破壞，所以急需對(duì)大型結(jié)構(gòu)物采用有效的健康監(jiān)測(cè)手段來控制結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握。

通過過去幾十年的研究，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)明了大量的方法，但是由于大型結(jié)構(gòu)物的損傷分布和損傷程度具有極大的隨機(jī)性和不確定性，許多損傷識(shí)別方法還無法較好地應(yīng)用于實(shí)際工程中。本文先從概念上指出結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別可以劃分的幾個(gè)層次，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，最后對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的新方法提出了展望。

2 正文

2.1結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問題的主要層次

第一層次：判斷結(jié)構(gòu)是否真的已經(jīng)發(fā)生損傷。研究內(nèi)容主要有：結(jié)構(gòu)的損傷類型，損傷的成因，損傷的可修復(fù)程度等。結(jié)構(gòu)物由于設(shè)計(jì)、施工的不足或者材料的使用不當(dāng)，又或是結(jié)構(gòu)的需求大于了其能力值，結(jié)構(gòu)物遭遇了偶然因素的作用（如地震、臺(tái)風(fēng)），還有就是環(huán)境腐蝕和長期荷載引起的結(jié)構(gòu)疲勞等，都將對(duì)結(jié)構(gòu)引起不同程度的損傷。主要難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)的很多物理量的測(cè)試受環(huán)境條件、儀器的使用精度、測(cè)量水平等因素的影響較大，這將導(dǎo)致對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷的判別不精確。

第二層次：確定損傷的幾何位置。每種結(jié)構(gòu)都可能出現(xiàn)不同程度的損傷，但是受力構(gòu)件損傷和非受力構(gòu)件的損傷對(duì)整體結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的影響是不一樣的。為了準(zhǔn)確評(píng)估損傷情況，特別是關(guān)鍵部位的損傷狀態(tài)，需做好損傷位置的識(shí)別。主要的研究內(nèi)容是利用靜力或動(dòng)力的作用引起結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，通過觀察最大響應(yīng)部位來判斷結(jié)構(gòu)損傷具體發(fā)生在哪一部位。如何準(zhǔn)確識(shí)別損傷的幾何位置，是該層研究的重點(diǎn)。

第三層次：對(duì)損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化。主要內(nèi)容是通過檢測(cè)數(shù)據(jù)得到的結(jié)構(gòu)物的變形、撓度、應(yīng)變、裂紋寬度等數(shù)據(jù)來全面評(píng)估結(jié)構(gòu)的損傷程度。需要建立損傷的量化標(biāo)準(zhǔn)，即需要對(duì)損傷的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化再來評(píng)定損傷程度。研究難點(diǎn)在于如何量化這個(gè)尺度。

第四層次：預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。對(duì)于已經(jīng)量化的損傷構(gòu)件，可以采用一系列較為準(zhǔn)確的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來預(yù)測(cè)其剩余使用壽命。剩余使用壽命可以為之后的維修策略、檢查頻率、養(yǎng)護(hù)措施提供有利依據(jù)。如何通過構(gòu)件損傷程度及部位預(yù)測(cè)構(gòu)件剩余使用壽命是該層次研究的重點(diǎn)。其難點(diǎn)在于，一般通過建立損傷模型來預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的使用壽命，但該方法一般與實(shí)際結(jié)構(gòu)有一定的偏差，預(yù)測(cè)的精確度不高。

第五層次：對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。構(gòu)件的損傷不僅影響構(gòu)件自身的安全性和耐久性，也將影響結(jié)構(gòu)整體的安全性和耐久性。在對(duì)局部的損傷進(jìn)行評(píng)估之后，還需將其放入整體中進(jìn)行全面評(píng)估，對(duì)結(jié)構(gòu)完整性做出評(píng)價(jià)。該層的重難點(diǎn)在于如何考慮局部構(gòu)件對(duì)整體的影響，以及這一影響的強(qiáng)弱，是否是關(guān)鍵截面或者構(gòu)件，對(duì)不同重要性的構(gòu)件需要按重要性系數(shù)進(jìn)行一定的折減。

2.2基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

常用的動(dòng)力學(xué)損傷識(shí)別方法包括頻率基損傷識(shí)別方法、模態(tài)基損傷識(shí)別方法等，這是當(dāng)前結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究的熱點(diǎn)問題。

（1）頻率基損傷識(shí)別：該方法主要是利用結(jié)構(gòu)的固有頻率變化來進(jìn)行損傷識(shí)別，具有方法簡單，測(cè)試精度較高的特點(diǎn)。但固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)局部的損傷反映不是很合適，且無法準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的損傷部位。

（2）模態(tài)基損傷識(shí)別：該方法又稱為振型基損傷識(shí)別，利用模態(tài)變化來識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。常用的方法有模態(tài)置信度判據(jù)法、位移模態(tài)法、模態(tài)曲率法和應(yīng)變模態(tài)法等。模態(tài)對(duì)局部剛度變化較為敏感。在實(shí)際測(cè)試中，實(shí)際模態(tài)往往不完整，且模態(tài)個(gè)數(shù)少于分析模型的個(gè)數(shù)，而且測(cè)量的自由度也少于分析模型的自由度，高階模態(tài)很難測(cè)得，這使得模態(tài)基損傷識(shí)別方法在實(shí)際使用時(shí)容易受到模態(tài)不完整和噪聲影響的問題。

2.3結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的新方法

基于時(shí)頻域數(shù)據(jù)的方法即基于小波分析的識(shí)別方法是近10幾年來的興起的損傷識(shí)別新方法。該方法是數(shù)學(xué)理論中調(diào)和分析技術(shù)發(fā)展的最新成果，它可以看作是傳統(tǒng)傅里葉變換的一個(gè)拓展，有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）該法對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)的分析較為準(zhǔn)確。（2）該法不需要結(jié)構(gòu)傷前的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。（3）該法不但可以對(duì)損傷進(jìn)行定位，還能突出損傷信息。

壓電阻抗法也是一種新興的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。它利用的是機(jī)械變形和電荷變化之間的關(guān)系，以此制成壓電傳感器。在收到外部壓力的作用下，材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)極化作用，材料的正負(fù)電荷會(huì)集中于材料的兩極，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)過程中，將這種傳感器埋入結(jié)構(gòu)之中，由于結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生電荷變化，這樣通過輸出的電能就可以探知結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為位移的變化。該方法信號(hào)便于采集且穩(wěn)定性高，材料成本較便宜，值得進(jìn)一步研究和推廣。

3 結(jié)語

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法眾多，但是大多數(shù)局限于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)室模型，對(duì)于實(shí)際工程的應(yīng)用還十分欠缺。總體來看，未來的研究將考慮如何在監(jiān)測(cè)過程中采集到更為穩(wěn)定的信號(hào)，如何對(duì)損傷位置進(jìn)行更加準(zhǔn)確的定位，突出其損傷信息。還有就是要考慮損傷識(shí)別方法的可操作性和易推廣性，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)一步研究一整套的材料價(jià)格便宜、操作簡單、可商品化的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)將是今后研究的主要方向。相信今后隨著人工智能系統(tǒng)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)將迎來新的突破。

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1007-6344（2017）05-0321-01