關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究

摘要：建筑結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中由于初始缺陷的存在及荷載和環(huán)境的共同作用，使結(jié)構(gòu)在使用中產(chǎn)生不同程度的損傷，結(jié)合實(shí)際，針對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：土木工程；損傷診斷；檢測

土木工程結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)一般可分為局部檢測和整體檢測兩大類。局部檢測與評(píng)定針對(duì)的對(duì)象是具體可疑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，即通常所說的無損檢測與評(píng)價(jià)，其技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如聲發(fā)射法、超聲法、射線法、渦流法、光學(xué)診斷法、磁粉法、泄漏法、紅外診斷法、探地雷達(dá)法等，局部檢測目的性極強(qiáng)，檢測結(jié)果具體、準(zhǔn)確，一般也要求能觸及被測構(gòu)件，多用在結(jié)構(gòu)目標(biāo)部位的常規(guī)檢測，檢測結(jié)果可直接作為結(jié)構(gòu)維修加固的依據(jù)。其缺陷是工作繁瑣，費(fèi)用高，無法對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)或事先無法預(yù)測損傷位置的結(jié)構(gòu)是進(jìn)行全面檢查，只有在整體檢測方法確定目標(biāo)部位以后使用較為合適，而且無法給出整體結(jié)構(gòu)的受損程度信息。因此，人們?cè)噲D通過對(duì)結(jié)構(gòu)整體特性和響應(yīng)(如變形、頻率、相位、振型、阻尼與狀態(tài)反應(yīng)等)的測量和分析對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測與評(píng)價(jià)，這就是整體檢測法，它可以確定損傷存在的可疑區(qū)域和損傷程度。整體檢測法是一個(gè)結(jié)構(gòu)分析的反問題，在已知結(jié)構(gòu)響應(yīng)和荷載作用，甚至只知道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況下確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)一步預(yù)測結(jié)構(gòu)性能。

1、混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測方法

混凝土結(jié)構(gòu)宏觀性能試驗(yàn)方法是“試件試驗(yàn)”。這類方法以試件破壞時(shí)的實(shí)測值，作為判斷混凝土性能的依據(jù)較為直觀，稱為破損性實(shí)驗(yàn)。由于試件中的混凝土與結(jié)構(gòu)中的混凝土質(zhì)量、受力狀況及各種條件不可能完全一致，而且對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測也不太適用。

20世紀(jì)30年代混凝土非破損檢測方法發(fā)展起來了，如回彈法、超聲脈沖法等在無損傷混凝土的條件下進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

1.1回彈法

回彈法是用回彈儀彈擊混凝土表面，由儀器重錘回彈能量的變化，反映混凝土的彈性和塑性性質(zhì)，測量混凝土的表面硬度推算抗壓強(qiáng)度，是混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測中常用的一種非破損試驗(yàn)方法，我國已編制了規(guī)范。

回彈法的主要優(yōu)點(diǎn)是：儀器構(gòu)造簡單，方法易于掌握，檢測效率高，費(fèi)用低廉，影響因素較少，但還存在一定不足：回彈值受碳化深度、測試角度的影響，石子種類對(duì)其也有影響，要對(duì)回彈值進(jìn)行不同的修正，對(duì)存在有質(zhì)量疑問區(qū)域的混凝土，需用其它方法進(jìn)行進(jìn)一步檢測。

1.2超聲脈沖法

用超聲脈沖法檢測混凝土強(qiáng)度是測試超聲波在混凝土中的傳播參數(shù)，找出混凝土抗壓強(qiáng)度與這些參數(shù)的關(guān)系，確定其抗壓強(qiáng)度。混凝土是各向異性的多相復(fù)合材料，內(nèi)部存在廣泛分布的砂漿與骨料的界面和各種缺陷，使超聲波在混凝土中的傳播要比在均勻介質(zhì)中復(fù)雜得多，產(chǎn)生反射、折射和散射現(xiàn)象，并出現(xiàn)較大衰減，因此超聲脈沖法檢測混凝土強(qiáng)度雖然能夠檢測出混凝土內(nèi)部存在的問題，但是對(duì)測試儀器、換能器與混凝土的強(qiáng)度和超聲傳播聲速間的定量關(guān)系受到混凝土的原材料性質(zhì)及配合比的影響；測試試件的溫度和含水率的影響等，只有綜合考慮各種因素和條件，建立高擬合度的專門曲線，使用時(shí)才能得到比較滿意的精度。

1.3超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法是建立在超聲傳播和回彈值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間相互關(guān)系上，以聲速和回彈值來綜合反映混凝土抗壓強(qiáng)度的一種非破損檢測方法。

超聲回彈綜合法在一定程度上克服了以單一指標(biāo)評(píng)定混凝土強(qiáng)度的不足，它把石子和測試面的影響，從檢測結(jié)果中加以修正，對(duì)于多指標(biāo)綜合，能較全面地反映與混凝土強(qiáng)度有關(guān)的各種要素的作用，提高了測試精度。

2、砌體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測方法

砌體結(jié)構(gòu)主要指磚砌體，砌體強(qiáng)度是由磚塊和砂漿強(qiáng)度或施工時(shí)制做的砌體試塊強(qiáng)度來決定的，傳統(tǒng)的檢測方法是直接從砌體結(jié)構(gòu)上截取試樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)而砌體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)導(dǎo)致取樣存在較大難度，取樣時(shí)的擾動(dòng)又會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生較大損傷，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，砌體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場原位非破損或半破損試驗(yàn)方法理所當(dāng)然地受到重視，并廣泛開展研究和工程實(shí)際應(yīng)用。

2.1砌體強(qiáng)度的間接測定法

砌體強(qiáng)度與砂漿和磚塊強(qiáng)度有直接關(guān)系。由砂漿和磚塊強(qiáng)度等級(jí)可確定砌體的抗壓強(qiáng)度，間接測定法就是使用專門的儀器和專門的測試方法，測量砂漿和磚塊的某一項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)或與材料強(qiáng)度有關(guān)的某—項(xiàng)物理參數(shù)，并由此間接測定砌體強(qiáng)度。

2.1.1沖擊法。依據(jù)物體破碎時(shí)所消耗的功與破碎過程中新產(chǎn)生表面積成正比的基本原理、由事先建立的單位功表面積增量和抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，求得砂漿或磚塊試樣的強(qiáng)度。

2.1.2回彈法。檢測磚塊和砂漿強(qiáng)度的基本原理與混凝土強(qiáng)度檢測的回彈法相同，只是采用專門的砂漿回彈儀，因?yàn)榇u的表面硬度與強(qiáng)度有良好的相關(guān)性，所以，此法精度高，且簡單、適用。

2.1.3推出法。推出法又稱頂推法、剪法，具體稱單磚單剪法。即把一單磚的頂面、兩側(cè)面砂漿清除，只留底面，用特制的小千斤頂將其“頂出”，在極限狀態(tài)時(shí)，測得磚與砂漿的粘接抗剪強(qiáng)度，并根據(jù)抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，推出抗壓強(qiáng)度。

2.2砌體強(qiáng)度直接測定法

2.2.1抽樣檢測法。主要包括切割法與取芯法，切割法切割的試件寵大，搬運(yùn)過程中擾動(dòng)大，造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性大，耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力，只限于龐大砌體工程質(zhì)量事故處理及對(duì)其它方法的校準(zhǔn)。取芯法是對(duì)芯樣作抗壓和抗剪試驗(yàn)，對(duì)砌體擾動(dòng)也很大，其試驗(yàn)結(jié)果不太一致。

2.2.2原位檢測法。主要包括扁頂法、原位軸壓法和原位剪切法。扁頂法是采用扁式液壓測力器裝入開挖的砌體灰縫中進(jìn)行砌體強(qiáng)度的原位檢測方法，它較好地克服了取樣法的不足，但設(shè)備復(fù)雜，允許的極限應(yīng)變較小，鍘定砌體的極限強(qiáng)度受到限制。原位軸壓法是對(duì)扁頂法的改進(jìn)，其原理與其一致，測定砌體的極限抗壓強(qiáng)度。推算其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，缺點(diǎn)是設(shè)備較沉重，使用不便，原位剪切法是在墻體上直接測試砌體通縫的抗剪強(qiáng)度。由于對(duì)測試部位有限制，使其應(yīng)用有一定的局限性。

2.2.3動(dòng)測綜合法。動(dòng)測綜合法是振動(dòng)反演理論在工程上的應(yīng)用。在脈動(dòng)、起振機(jī)共振、自由釋放或沖擊等激振方式的作用下，通過測量砌體結(jié)構(gòu)的頻率和振型等參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)識(shí)別理論得到層間剛度，推算出各層砌體軸心抗壓強(qiáng)度，此法從房屋整體出發(fā)，不僅能得到砌體的強(qiáng)度，鑒定房屋的質(zhì)量，便于對(duì)房屋進(jìn)行安全性評(píng)定，隨著檢測儀器技術(shù)的改進(jìn)，算法的優(yōu)選，結(jié)果的精度不斷提高，很有發(fā)展前途。

2.2.4微觀結(jié)構(gòu)法。聲、渡、射線等在材料中傳播時(shí)，會(huì)因材料的微觀結(jié)構(gòu)的判別而不同，由此可推斷出材料的強(qiáng)度。我國在砌體房屋檢測的方法有應(yīng)力波法和超聲波法。應(yīng)力波法測低強(qiáng)和高強(qiáng)砂漿砌體時(shí)，精度不高，超聲波法由干影響因素較多，測試結(jié)果不理想，有待進(jìn)一步提高。

3、結(jié)論

結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)對(duì)工程質(zhì)量事故的檢測、處理方面，具有重大的應(yīng)用價(jià)值，從國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r來看，該項(xiàng)技術(shù)涉及到多個(gè)學(xué)科的應(yīng)用技術(shù)，應(yīng)進(jìn)一步研究、完善，應(yīng)從以下幾個(gè)方面來努力，創(chuàng)新：

3.1新參數(shù)、新性能指標(biāo)的測試。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，許多新材料被工程所應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，一些新的參數(shù)和新的性能指標(biāo)能夠說明新材料和新結(jié)構(gòu)的可靠性，需要不斷研究這些參數(shù)指標(biāo)的測試方法，為工程實(shí)踐服務(wù)，是當(dāng)前測試技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2新思想的引入、對(duì)數(shù)學(xué)模型的創(chuàng)新和改善。在建筑結(jié)構(gòu)檢測方法的研究中，引入新思想，不僅要考慮宏觀力學(xué)，還要考慮微觀力學(xué)，深入全面地看問題。已有的檢測方法中用到的經(jīng)驗(yàn)公式有—定的局限性、在新的數(shù)學(xué)模型建立時(shí)，應(yīng)更加注意其邊界條件，擴(kuò)大使用范圍，提高擬合程度。

參考文獻(xiàn)

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