钢结构损伤机理及检测方法

钢结构损伤机理及检测方法

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摘要：本文从钢结构损伤机理与损伤检测方法入手，介绍了国内外结构损伤检测方法的现状，并详细阐述了基于小波变换的结构损伤检测方法、基于柔度的结构损伤检测方法、基于神经网络的结构损伤检测方法等几种结构损伤检测方法。

关键词：钢结构损伤检测方法小波变换柔度神经网络

1 引言

重大工程诸如跨江跨海的大跨度桥梁、用于大型体育赛事的大跨度空间结构、代表城市象征的超高层建筑、开发江河能源的大型水利工程以及核电站工程等，它们的使用期长达几十年甚至上百年，在环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳效应和突变效应等灾害因素的共同作用下，将必可避免地出现结构系统的损伤累积和抗力衰减，从而导致抵抗自然灾害甚至正常环境作用的能力下降。尽管这些都是设计时能够预料到的结果，但是却无法完全考虑所有因素的影响，从而无法推断结构内部应力的实时状况，也无法预知结构随着时间的推移，在一定荷载作用下的反应。

因此，为了保障结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，已建成的重大工程结构和基础设施需采用有效地技术手段监测和评定其安全状况，并及时修复和控制结构损伤；而对于新建的大型结构和基础设施应总结以往的经验和教训，在工程建设的同时安装长期的结构健康监测体系，以监测结构的服役安全情况，同时为研究结构服役期间的损伤演化提供有效和直接的实验平台。

2 钢结构损伤机理及危害

2.1 钢结构的稳定问题

钢材的强度远较混凝土、砌体及其他常见结构材料的强度高，在通常的建筑结构中按允许应力求得的钢结构构件所需的断面较小，因此，在多数情况下，钢结构构件的截面尺寸是由稳定控制的。钢结构构件的失稳分两类：丧失整体稳定性和丧失局部稳定性。两类失稳形式都将影响结构或构造的正常承载和使用或引发结构的其他形式破坏。

影响结构构件整体稳定性的主要原因有：

（1）构件设计的整体稳定不满足，即长细比不满足要求。

（2）构件的各类初始缺陷，包括初弯矩、初偏心、热轧和冷加工产生的残余应力和残余变形及其分布、焊接残余应力和残余变形等。

（3）构件受力条件的改变，如超载、节点的破坏、温度的变化、基础的不均匀沉降、

意外的冲击荷载、结构加固过程中计算简图的改变等。

（4）施工临时支撑体系不够。

影响钢结构构件局部失稳的主要原因有：

（1）构件局部稳定的不满足。

（2）局部受力不稳加劲构造措施不合理。

（3）吊装时吊点位置选择不当。

2.2 钢结构的疲劳破坏

钢结构在持续反复荷载下会发生疲劳破坏。在疲劳破坏之前，钢构件并不出现明显的变形或局部的颈缩，钢材的疲劳破坏是脆性破坏。疲劳破坏的机理是：钢材内部及其外表有杂质和损伤存在，在反复荷载作用下，在这些薄弱点附近形成应力集中，使钢材在很小的区域内产生较大的应变，于是在该处首先发生微裂，在反复荷载继续作用下，微裂扩展，前裂口发展到一定程度，该截面上的应力超过钢材晶粒格间的结合力，于是发生脆断。

钢材断裂时，相应的最大应力σmax称为钢材的疲劳强度，疲劳强度与荷载循环次数等因素有关，结构工程中是以二百万次循环时产生疲劳断裂的最大应力作为疲劳极限。钢材的疲劳强度与钢材本身的强度关系不大，而与构件表面情况、焊缝表面情况、应力集中、残余应力、焊缝缺陷等因素有关。

2.3 钢结构的脆性破坏

钢结构的一个显著的特点是变形性能好，特别是当构件使用低碳钢时，由于低碳钢有明显的屈服台阶，因此钢结构的破坏是有先兆的。但是在一定条件下，钢材会发生脆性断裂，构成无先兆的突然破坏，这种破坏是建筑结构设计和使用中所不允许的，因此应特别予以注意。

钢结构脆性断裂可分成以下几个类别：低温脆断、应力腐蚀、氢脆、疲劳破坏和断裂破坏等。造成脆断的原因除低温、腐蚀、反复荷载等外部因素之外，钢材本身的缺陷、设计不合理及施工质量等是构成其破坏的内因。由于脆性破坏是突发的，没有明显的预兆，因此发现问题加固处理是比较困难的，主要是采取预防措施，使其不产生脆性断裂。

2.4 钢结构的防火与防腐

2.4.1 钢结构防火

钢结构防火性能较差。温度升高钢材强度将降低，当温度达到550℃时，钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的0.7。就是说，结构即达到它的强度设计值而可能发生破坏。设计中应根据有关防火规范规定的不同防火等级及不同使用要求，使建筑结构能满足相

应防火标准的要求。

2.4.2 钢结构防腐蚀

钢材由于和外界介质相互作用而产生的损坏过程称为腐蚀，又叫钢材锈蚀。钢材锈蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是大气或工业废气中含的氧气、碳酸气、硫酸气或非电介质液体与钢材表面作用（氧化作用）产生氧化物引起的锈蚀。电化学腐蚀是由于钢材内部有其他金属杂质，具有不同电极电位，在与电介质或水、潮湿气体接触时，产生原电池作用，使钢材腐蚀。绝大多数钢材锈蚀是电化学腐蚀或化学腐蚀与电化学腐蚀同时作用形成。钢材的腐蚀速度与环境湿度、温度及有害介质浓度有关，在湿度大、温度高、有害介质浓度高的条件下，钢材腐蚀速度加快。

3 结构损伤检测方法

结构损伤检测可采用外观目测、基于仪器设备的局部损伤检测、基于静态数据的结构损伤检测和基于动态数据的结构损伤检测等方法，它们各有特点，适用于不同的工程实际。3.1 损伤检测内容

结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律，如果能够科学地评估这种损伤的规律和程度，及时采取有效的处理措施，可以延缓结构损伤的进程，以达到延长结构使用寿命的目的。钢结构房屋由于结构的先天缺陷及恶劣使用环境引起的结构缺陷和损伤，设计标准使用要求的改变，都将导致原结构可靠性的改变，有时经过检测加固后才能保证功能的正常使用及保证功能改变的顺利进行。钢结构的损伤检测主要包括以下几个方面：

3.1.1 几何量检测

裂缝的检测包括裂缝出现的部位(分布)、裂缝的走向、裂缝的长度和宽度。观察裂缝的分布和走向，可绘制裂缝分布图。裂缝宽度的检测主要用10倍～20倍读数放大镜、裂缝对比卡及塞尺等工具。裂缝长度可用钢尺测量，裂缝深度可用极薄的钢片插入裂缝，粗略地测量，也可沿裂缝方向取芯或超声仪检测。判断裂缝是否发展可用粘贴石膏法，将厚10 mm左右，宽约50 mm～80 mm的石膏饼牢固地粘贴在裂缝处，观察石膏是否裂开；也可以在裂缝的两侧粘贴几对手持式应变仪的头子，用手持式应变仪量测变形是否发展。

3.1.2 结构变形检测

测量结构或构件变形常用仪器有水准仪、经纬仪、锤球、钢卷尺、棉线等常规仪器以及激光测位移计、红外线测距仪、全站仪等。结构变形有许多类型，如梁、屋架的挠度，屋架