（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院 福建 福州 350108）

0.引言

近些年來，土木工程在我國得到了迅猛的發(fā)展，人們也越來越關(guān)心居住質(zhì)量的提高。土木工程的結(jié)構(gòu)是人們工作、生活、學(xué)習(xí)環(huán)境中的重要支撐，只有確保土木工程的結(jié)構(gòu)安全，才能使人們的日常生活得以順利進行。一旦土木工程的結(jié)構(gòu)難以保證，就勢必會給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅。由于土木工程結(jié)構(gòu)長期處于外部環(huán)境當(dāng)中，地震、臺風(fēng)、火災(zāi)等自然災(zāi)害的發(fā)生會給土木工程結(jié)構(gòu)帶來巨大的影響，外界環(huán)境中的雨、雪、灰塵等也會使土木結(jié)構(gòu)長期處于荷載作用下，日積月累之下，土木工程結(jié)構(gòu)就難以避免的受到不同程度的損傷。因此，對土木工程的損傷程度及類型進行準(zhǔn)確的判斷，評價土木工程結(jié)構(gòu)的健康狀況具有十分重要的意義。通過檢測技術(shù)及損傷識別方法的應(yīng)用來對土木工程結(jié)構(gòu)進行必要的檢測與診斷是提高工程使用價值、確保民眾生命財產(chǎn)安全的重要手段，而這也使其成為了國內(nèi)外的重點研究課題。

1.土木工程結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)研究

1.1 砌體結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

在土木工程中，砌體結(jié)構(gòu)起到至關(guān)重要的支撐作用，它也是土木工程結(jié)構(gòu)中最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，關(guān)于砌體結(jié)構(gòu)的檢測方法主要分為兩種形式，一種是動態(tài)檢測形式，另一種是靜態(tài)檢測形式。不論哪種檢測形式，基于土木工程結(jié)構(gòu)的使用特點，都需要確保檢測技術(shù)具備較高的精準(zhǔn)度。砌體結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)的主要方法包括回彈法與鉆芯法，在選擇檢測方法時，需要依據(jù)砌體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成材料來進行確定。例如，土木工程的砌體結(jié)構(gòu)為石塊砌體時，利用鉆芯法來進行檢測最為合適，則如果砌體結(jié)構(gòu)為紅磚組成，則可以通過回彈法與鉆芯法結(jié)合使用最為合適。在對土木工程的砌體結(jié)構(gòu)進行檢測過程中，檢測人員需要將砌體結(jié)構(gòu)中的自重砂漿輕度作為檢測參數(shù)，并利用推出法與筒壓法來進行相應(yīng)的檢測。推出法的檢測流程相比于筒壓法來說要更為簡單，它不需要進行任何取樣，檢測人員可以通過推出儀來對土木工程結(jié)構(gòu)中的砌塊進行推出操作，從而得出推出砌塊時的力度與砌體的砂漿飽滿情況來判斷出砌體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量能否滿足要求。筒壓法則需要對砌體結(jié)構(gòu)進行取樣，然后將取出的樣本進行碾碎烘干后按照砂漿顆粒的級配來進行劃分，并將其放置在承筒當(dāng)中進行筒壓處理，以此判斷樣本中的砂漿能否滿足土木工程的質(zhì)量要求。

1.2 混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

在土木工程結(jié)構(gòu)中，混凝土的廣泛使用，使混凝土結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)，由于其具備強度高、工藝簡單的優(yōu)勢，使混凝土結(jié)構(gòu)越來越受到人們的青睞。而對混凝土結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)所采用的方法主要有三種，分別是回彈法、鉆芯法與超聲法。回彈法的優(yōu)勢在于操作較為簡單，檢測結(jié)果較為精確，唯一的缺陷就是會對土木工程的結(jié)構(gòu)帶來一定的影響，這也使其在對混凝土結(jié)構(gòu)進行檢測時受到了很大的限制，它是通過對重錘的彈簧長度最初值和反彈距離進行相互比較的方式來對混凝土結(jié)構(gòu)的強度進行判斷的，在采用這種方法時，需要經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)認可及業(yè)主同意后才能使用。鉆芯法是目前混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中最常見的一種檢測方法，它主要是依據(jù)回彈儀來進行檢測的，具體操作流程共分成三個階段，第一個階段是通過鉆機在混凝土結(jié)構(gòu)中進行采樣，第二個階段是將采集到的樣本利用壓力機械進行壓碎實驗，以此得到混凝土樣本的實際抗壓強度。第三個階段則是根據(jù)混凝土樣本的實際抗壓強度及其他物理性能來對混凝土結(jié)構(gòu)進行判斷。在混凝土結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)中，超聲波是一種無損檢測方法，具備檢測速度快，檢測精度高的優(yōu)勢，其主要是利用超聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中受到不同材料及成分的影響，導(dǎo)致其衰減與吸收程度的不同來進行判斷的，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中的超聲波傳播參數(shù)產(chǎn)生變化時，檢測人員就能以此判斷出結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否存在質(zhì)量問題。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)分析

土木工程結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)由于具備自重輕、韌性強、強度大等優(yōu)勢，使其在土木工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用，這也使鋼結(jié)構(gòu)成為一種極具發(fā)展前景的土木結(jié)構(gòu)。對鋼結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)主要是通過對結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件進行相應(yīng)的檢測，檢測內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)中的鋼構(gòu)件尺寸、構(gòu)件間的連接情況及鋼構(gòu)件中的具體損傷程度等，通過這些內(nèi)容的檢測與收集來為檢測人員對鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題判斷提供依據(jù)。

2.土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究

當(dāng)采用檢測技術(shù)來對土木工程結(jié)構(gòu)進行檢驗時，一旦發(fā)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)中存在損傷或質(zhì)量問題時，便需要利用損傷識別方法來對損傷類型、損傷程度進行確定，以此評估結(jié)構(gòu)的整體性能。一般情況下，對土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識別需要確定以下兩個方面的內(nèi)容，其一是對土木工程結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命進行預(yù)測；其二是對結(jié)構(gòu)的實際損傷情況及損傷位置進行確定。

2.1 局部損傷識別方法

局部損傷識別方法有很多，比較常見的有聲發(fā)射法、回彈法、發(fā)射光譜法、射線塵法、脈沖回波法等，這些方法都屬于局部損傷識別方法，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的裂縫位置進行精確的檢查與識別。此外，在對土木工程結(jié)構(gòu)進行局部損傷識別時，還可以通過將這些方法進行結(jié)合實合來對結(jié)構(gòu)中的實際損傷情況進行共同識別。通過這些識別方法的使用，不僅能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的損傷程度進行精確識別，還能夠?qū)ν聊竟こ探Y(jié)構(gòu)中的損傷類型及損傷位置進行精確的識別。不過，如果土木工程的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的話，采用這些方法難以對結(jié)構(gòu)的整體損傷信息進行獲取。

2.2 整體結(jié)構(gòu)損傷識別方法

土木工程結(jié)構(gòu)中包含著大量的剛度、阻尼、質(zhì)量等物理參數(shù)，這也使其成為一種非常復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)土木工程結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生損傷時，其整個結(jié)構(gòu)參數(shù)也會產(chǎn)生重大變化。因此，對整體結(jié)構(gòu)損傷的識別與判斷，可以通過其參數(shù)變化來進行確定，而整體結(jié)構(gòu)損傷識別方法便是依據(jù)該原理來進行檢測的。整體結(jié)構(gòu)損傷識別方法主要分為以下幾種，包括模型修正法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及動力指紋法。以下便對這幾種整體結(jié)構(gòu)損傷識別方法進行研究。

2.2.1 模型修正法

模型修正法是通過土木工程結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建來對其約束條件進行優(yōu)化與動力測試的一種損傷識別方法，它能夠在某種程度上對土木工程結(jié)構(gòu)中的阻尼、質(zhì)量、剛度等特性進行修正。模型修正法的結(jié)構(gòu)測試響應(yīng)與最大響應(yīng)基本相同，它能夠通過對模型矩陣和基線模型矩陣進行修正，然后將兩者進行比較的方式，以此完成對土木工程的結(jié)構(gòu)損傷識別與判斷。此外，模型修正法還能夠?qū)Y(jié)構(gòu)中的單元進行劃分，并對其結(jié)構(gòu)中的子結(jié)構(gòu)模型進行相應(yīng)的處理。不過，由于其在測試過程中對參數(shù)的敏感度不足，因此會造成測量過程中產(chǎn)生較強的噪音或測量結(jié)果發(fā)生較大誤差等現(xiàn)象，這也使其在對土木工程結(jié)構(gòu)進行損傷識別時受到一定的影響。并且，模型修正法中進行模態(tài)試驗所獲得的模態(tài)信息在成熟性上仍舊有所欠缺，這也使其在對特征方程進行求解時穩(wěn)定性不足。

2.2.2 遺傳算法

遺傳算法是根據(jù)自然界中的物競天擇生存法則逐漸演變出來的，它主要是以適者生存、優(yōu)勝劣汰的原則來對土木工程結(jié)構(gòu)損傷進行識別的，采用這種方法能夠求出土木工程結(jié)構(gòu)的最佳狀態(tài)，通過計算的方式將各個目標(biāo)解進行求出，并通過共同搜索的方式來對這些目標(biāo)解進行分別優(yōu)化，以此篩選出最佳的目標(biāo)解。遺傳算法在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別中的適用性非常強，操作也較為簡單，其尤為適合那些信息量較少時結(jié)構(gòu)損傷的識別與判定，即使結(jié)構(gòu)中的模態(tài)信息缺失，也不會給遺傳算法的識別結(jié)果帶來影響。

2.2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也是土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別的一種檢測方法，它是通過對人體神經(jīng)機理進行模擬的方式來對土木工程結(jié)構(gòu)進行分析與研究的。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法同時兼顧了強大的并行計算能力與自我學(xué)習(xí)能力，并且具備較高的容錯率，能夠依靠神經(jīng)功能中的擴散、聯(lián)想與綜合，通過黑水識別的方式來消除損失識別過程中產(chǎn)生的高分貝噪音與檢測損失，這也使其在土木工程結(jié)構(gòu)損傷識別中成為一項非常重要的檢測方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法能夠根據(jù)不同狀態(tài)下的土木工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同反應(yīng)，來對這些反應(yīng)的特征值進行提取，并將結(jié)構(gòu)損傷的敏感參數(shù)作為該算法的輸入向量，以此輸出與之相匹配的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，以此形成輸入?yún)?shù)和輸出狀態(tài)相對應(yīng)的特征關(guān)系，并且，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法還能根據(jù)其強大的并行計算能力來對模式進行分類，以此對結(jié)構(gòu)損傷模式進行某種程度上的真實反應(yīng)。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的自身特性能夠?qū)Ψ蔷€性結(jié)構(gòu)具有極強的映射能力，這也使其在對非線性模式進行分類與識別當(dāng)中顯得尤為適合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比于模型修正法來說，不僅功能更加強大，在適用范圍上也要遠遠超過前者。

2.2.4 動力指紋法

當(dāng)土木工程的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，其結(jié)構(gòu)參數(shù)會在某種程度上產(chǎn)生變化，進而造成其自身動力特性發(fā)生改變，而動力指紋法便是依據(jù)結(jié)構(gòu)中動力特性的改變來對結(jié)構(gòu)的損傷程度進行識別的。動力指紋中最常用到的動力特性主要包括振型、應(yīng)變模態(tài)、頻響函數(shù)、坐標(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則、頻率、模態(tài)曲率、柔度等，在動力指紋法中，對單一的動力特征進行識別的方法主要有振型差法、曲率模態(tài)法、頻率比法等，對多種動力特征進行識別的方法主要有剛度差陣、能量損傷指紋、柔度差陣、能量商差指紋等。除此之外，其他方法還包括FRF波形指紋法、曲率法等。

3.結(jié)語

綜上所述，對土木工程結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)與損傷識別方法已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注，在研究進展上也取得了較大突破。不過，目前我國在土木工程結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)與損傷識別方法的研究方面仍舊有待深入，這就需要我們秉承著堅持不懈的精神來進行鉆研與創(chuàng)新，才能使結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)與損傷識別方法得到不斷發(fā)展，為人們創(chuàng)造一個健康、舒適、安全的生活環(huán)境。