土木工程结构损伤诊断研究现状与展望

文章编号:100926825(2006)2420062202

土木工程结构损伤诊断研究现状与展望

收稿日期:2006205225

作者简介:郭玉玲(19782),女,工程师,广东省中山市建筑设计院有限公司,广东中山　528403

陈湘儒(19742),男,国家一级注册结构工程师,广东省中山市建筑设计院有限公司,广东中山　528403

郭玉玲　陈湘儒

摘　要:阐述了结构损伤诊断技术在土木工程结构中的重要性,在综述结构损伤诊断研究现状的基础上,重点介绍了用

于土木工程结构的各种损伤诊断方法,并对相关问题进行了讨论和评述,最后对土木工程结构损伤诊断的未来研究方向提出了建议与展望。

关键词:损伤诊断,结构振动,健康监测中图分类号:TU361文献标识码:A

引言

一些重大的土木工程结构,如桥梁、大坝、军事设施、高层建

筑等,在遭受地震、台风、洪水、爆炸等自然或人为灾害时,将造成巨大的人员伤亡和财产损失。例如,1999年1月重庆的彩虹大桥倒塌,导致41人死亡,14人受伤的悲剧。2002年6月,洪水冲垮了陇海铁路西安段的一座铁路桥梁,使得铁路停运数日,造成了重大的经济损失。

对土木工程结构进行健康监测最主要的任务是发现并确定结构损伤的位置和程度,这一过程即为结构损伤诊断(或称损伤识别)。结构损伤诊断技术的研究工作大体上可以分为三个阶段:二十世纪四、五十年代为探索阶段,探索缺陷产生的原因及修补方法,主要通过目测方法,凭经验判断;二十世纪六、七十年代为发展阶段,注重建筑物检测、评估方法的研究,提出了破损检测、无破损检测、物理检测等几十种检测方法,以及分项评价、模糊评价等多种评价方法;20世纪80年代以来进入了完善阶段,制定了一系列的规范和标准,强调综合评价,并引入知识工程[1]。

1　结构损伤诊断技术的应用领域

土木工程结构损伤诊断技术的应用领域包括[2]:

1)新建工程结构的鉴定。评价是否达到设计要求,检验设计计算的准确性。

2)旧工程结构的鉴定。诊断是否有损伤,评价能否继续使用。

3)灾后工程结构的损伤诊断。标识损伤位置和严重性,评判是否需加固和可否继续使用。

4)加固工程结构的检测。评判加固效果和加固后工程结构的可靠度水平。

5)重要工程结构的监测。对于重要的工程结构进行定期和不定期检测,以监视结构的可靠度和损伤情况。

6)结构控制设计与使用。为主动或被动结构控制的设计与使用提供准确实用的结构模态参数。

7)智能结构神经子系统。智能结构是指能根据外部环境自

动调整结构参数和构造形式,以提供最优的结构性能的结构系统,以结构诊断原理为基础的结构监测系统可构成智能结构的感受或神经子系统。

2　损伤诊断法2.1　局部检测法

局部无损检测技术主要包括目测法、染色法、发射光谱法、回弹法、声发射法、渗漏试验法、射线法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等,实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。以下介绍几种常用的无损检测技术[3]。声发射法(又称应力波法)能对活动性缺陷进行动态监测,采用声发射探头将发射源发射的弹性波转换为电信号,经放大处理得到特征参数,从而推测材料内部发射源(即缺陷)的位置。

以脉冲回波法为主的超声波检测技术是利用其遇到相异介质能够反射的性质进行检测,具有良好的指向性,在不同的材料中衰减性不同,检测灵敏度高、成本低、效率快。

射线检测指用X 射线和直线加速器对结构缺陷情况进行检测,可检测结构内部缺陷的位置和立体形状,用来判断结构是否可用或为维修提供参考。

2.2　整体检测法2.2.1　动力指纹识别法

动力指纹识别法的基本思想是寻找与结构特性有关的“指纹”变化。结构一旦发生损伤,其结构参数如刚度、质量、阻尼等会发生改变,从而导致相应的动力指纹的变化。这些动力指纹的变化可以看作结构损伤发生的标志,借以诊断结构的损伤。常用的动力指纹有:频率、振型、振型曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模态确信准则(MAC )和坐标模态确信准则(COMAC )等。大量的模型和实际结构试验表明[4],结构损伤导致的固有频率变

On anti 2seismic conceptual design of building

DU Tong 2gui

Abstract :In light of the problem of anti 2seismic conceptual design of building ,the author illustrates it from the stability of site ,regularity of structure ,ductility of structural materials ,structural system and integrity of structure ,in order to make the building have well anti 2seismic performance.

K ey w ords :structural material ,structural system ,integrity of structure ,ductile parameter

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26・第32卷第24期2006年　12月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE

Vol.32No.24Dec.　2006

化很小,而振型(尤其是高阶振型)虽然对局部刚度变化比较敏感,但精确量测较为困难。MAC 和COMAC 等依赖于振型的动力指纹同样如此。振型曲率、应变模态则因传统的低幅振动测试变化量量级过小,难以起到有效的判别作用。因此,这类方法的应用有待于寻找对结构损伤更为敏感的新的动力指纹。

2.2.2　模型修正与系统识别法模型修正与系统识别法是使用动力测试资料、基本运动方程和有限元模型构造优化约束问题,不断修正结构模型的质量、刚度与阻尼分布(通常为刚度阵),使其响应尽可能地接近由测试得到的结构动态响应,通过修正模型矩阵与基线模型相对比,实现对结构损伤的诊断。这类方法在划分和处理子结构上具有很多优点。由于模型误差、测量噪声以及土木工程结构可测得的动力特征对局部刚度变化不敏感等因素的存在,使得此类方法在实际应用中受到限制。模态试验测得的模态信息总是不完备的,导致了特征方程求解中的亚定问题。解决数据和模型的不定性,有效的方法是用统计推断的方法,如贝叶斯计的方法。针对这些问题,一方面可以考虑利用边界条件进行子结构模型修正以减少未知数的方法,另一方面可以通过良态建模、合理划分子结构及最优布置来获取最大信息量予以解决[4]

。2.2.3　神经网络法人工神经网络(ANN )方法是20世纪80年代以来得到广泛关注的一种模拟人体神经机理来研究客观事物的新方法,具有并行计算能力和自我学习功能,还有很强的容错性,善于联想、综合和推广,而且采用神经网络算法的墨水识别解决了传统模式中的高噪音和模式损失等缺点,成为土木工程领域健康诊断最得力的工具,并且被广泛应用到损伤结构诊断模型研究中。ANN 的基本原理是:根据结构在不同状态下的反映,通过特征提取,选择对结构损伤敏感的参数作为网络输入向量,结构的损伤状态作为输出,建立输入参数与损伤状态之间的映射关系,训练后的网络具有模式分类功能,可以由当前的结构反映直接判别结构损伤的模式。应用ANN 的结构损伤诊断方法不需要结构动力特性的先验知识,具有损伤诊断非参数的特点。神经网络具有很强的非线性映射能力,特别适合于非线性模式识别和分类,在这一点上比模型修正法适用范围更广。2.2.4　遗传算法遗传算法是20世纪60年代由Holland 教授提出的,他根据达尔文进化论中适者生存,优胜劣汰的进化原则来搜索下一代中的最优个体,以得到满足要求的最优解。遗传算法能够在测试获取信息不多的情况下,迅速判定损伤位置和程度,即使模态信息部分丢失时,其寻优能力也丝毫不受影响。遗传算法只需计算各可行解的目标值而不要求目标函数的连续性,不需要梯度信息,并采取多线索的并行搜索方式进行优化,因而不会陷入局部最小,且使用简单,鲁棒性强。K oh 等[5]

采用局部搜索的遗传算法,通过测定激励和响应来决定结构参数进行识别。数值模拟了板、壳和飞机翼,结果表明,荷载作用位置对识别结果有很大影响。该法通过全局和局部阶段自适应调整局部搜索尺寸的偏差,有很强的抗噪性。

3　展望

近些年来,结构损伤诊断技术无论在学术上或在实际应用研究中都取得了长足的进步,但是对于高层建筑、桥梁等复杂土木

工程结构的损伤诊断,还有许多问题有待进一步的研究和解

决[6,7]。从结构的健康监测和损伤诊断技术的发展动态来看,以下几个问题的研究在该技术的未来发展方向上有比较重要的意

义和迫切性:

1)发展更可靠的损伤判别指标,该指标不会误判及漏判。要实现这个目的,所使用的特征量必须敏感而且能准确测量。2)非线性损伤诊断技术的研究。实际工程结构是非线性结构,只是非线性的强弱不同。虽然非线性技术研究中出现的困难比线性中出现的困难多,但非线性诊断技术符合实际,应用范围广。小波分析、神经网络和遗传算法由于其在数据处理、非线性系统辨识方面的优势,而在结构的健康检测和诊断方面具有不可估量的应用前景。3)传感器优化布置方法,包括确定传感器的数目及布置位

置。当前一些优化方法,大都依靠结构总体分析模型,再利用一些优化算法选择传感器位置,广义遗传算法是其中一种比较好的

算法。在传感器布置的最佳数量、最佳位置和抗噪性能等方面还有许多工作要做。4)开展大量的实际结构损伤诊断技术应用研究。目前,损伤诊断技术在实际结构上的应用研究还比较少,必须在不同结构进行大量试验对方法进行验证,才能使损伤检测方法得到广泛应用。5)结构体系可靠度研究。损伤诊断技术应与结构可靠度理论相联系,而损伤诊断的最终目的也是评估结构的可靠度。结构体系可靠度研究尚处于初步阶段,对结构的安全状况定量地描述尚有一段距离,但它是安全评定的必需工具。参考文献:[1]张丽卿,韩兵康,李春祥.基于振动的土木工程结构损伤诊断研究进展[J ].自然灾害学报,2004,13(5):1362143.[2]刘继鹏.工程结构健康监测近期研究进展[J ].郑州经济管理干部学院学报,2006,21(1):89292.

[3]陈长征,罗跃纲,白秉三.结构损伤检测与智能诊断[M ].北京:科学技术出版社,2001.[4]袁万城,崔　飞,张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J ].同济大学学报,1999,27(2):1842188.[5]K oh C G ,etal.Non 2destructive parameter identification of struc 2tures [R ].NDE for Health Monitoring and Diagnostics ,San Diego ,2002.470424706.[6]谢　强,薛松涛.土木工程结构健康监测的研究现状与进展

[J ].中国科学基金,2001(5):2852288.

[7]韩大建,王文东.基于振动的结构损伤识别方法的近期研究进展[J ].华南理工大学学报(自然科学版),2003,31(1):91296.

Summary revie w and outlook of structural damage detection in civil engineering

GU O Yu 2ling CHEN Xiang 2ru

Abstract :The importance of structural damage detection in civil engineering structures is explained.On the basis of reviewing the recent re 2searches on the structural damage detection ,a comprehensive survey on the damage detection methods of civil engineering structures is given in this paper.Finally ,several suggestions for future research on damage detection of civil engineering structures are presented.K ey w ords :damage detection ,structural vibration ,health monitoring

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36・ 第32卷第24期2006年　12月

郭玉玲等:土木工程结构损伤诊断研究现状与展望