震后鋼管混凝土結構損傷識別現狀及展望

許成祥，徐晶金，倪鐵權

（長江大學城市建設學院，湖北 荊州434023）

對于地震后生命線工程的結構損傷狀況進行識別并進行評估，然后根據評估結果給出土木工程結構應急修復處理或恢復重建加固方案，是當前抗震救災研究領域的熱點問題。損傷識別技術以其經濟實用、能夠宏觀反映結構性能、可以探測結構隱蔽部位缺陷等優點在土木工程領域得到廣泛應用。鋼管混凝土結構因其具有良好的力學性能和施工性能，被廣泛使用于高層建筑和大跨度等大型復雜結構體系中。因此，開展鋼管混凝土結構的地震損傷分析與損傷識別方法研究，對損傷狀態作出快速評估、標識損傷位置和損傷程度、評判其是否“可修”、是否需要加固和可否繼續使用具有重要意義。

1 鋼管混凝土結構損傷識別研究現狀

對工程結構進行損傷識別研究可以分為3個階段：①20世紀50年代前，為探索階段，主要通過目測來判斷鋼管混凝土結構缺陷產生的原因并提出相應維修方法；②20世紀60年代至70年代，該階段注重檢測與評估方法的研究，提出了破損檢測、無損檢測、物理檢測等檢測方法以及分項評價、模糊評價等評價方法；③20世紀80年代至今為完善階段，研究并制定了一系列規范和標準。隨著鋼管混凝土結構在建筑工程領域的大規模應用，更加注重鋼管混凝土結構損傷診斷的研究。

1984年，同濟大學材料系［1］針對鋼管混凝土質量和強度檢測問題，采用超聲脈沖方法進行了系統的探測研究，最終確立了超聲法檢測混凝土缺陷技術規程（CECS21：2000）。1996年，邱法維等［2］研究了鋼管混凝土柱在水平載荷作用下的累積滯回耗能問題，采用等價滯回圈數的概念分析了鋼管混凝土的低周疲勞損傷問題，并進一步考慮了地震作用下的損傷情況，為此在雙參數累積損傷模型的基礎上，通過修改耗能因子，使其損傷模型適用于鋼管混凝土結構。1997年，潘紹偉等［3］提出對鋼管混凝土拱橋內混凝土質量采用低頻超聲波檢測的技術，并根據聲速、波幅和波形以及脈沖回響等超聲參量進行綜合評價。2003年，姜紹飛等［4］基于鋼管混凝土硬化機理，提出了鋼管混凝土（結構）健康監測與檢測的技術。2003年，黃新國［5］基于波的繞射理論，提出了鋼管混凝土表面波檢測的新技術。通過鋼管混凝土柱的模型試驗，證實了該方法的可行性。2006年，周先雁等［6］提出利用超聲波法和沖擊回波法檢測鋼管混凝土質量是可行的的方法。2007年，郭蓉等［7］通過分析方鋼管混凝上柱在低周反復荷載作用下的情況，獲得了各構件破壞時的累積滯回耗能，并通過回歸分析得到了適合方鋼管混凝上柱的雙參數損傷模型。2012年，許斌等［8］設計制作了一個局部區域存在模擬界面剝離損傷的矩形鋼管混凝土柱，將壓電陶瓷片用水泥砂漿封裝制成驅動器并預埋入鋼管混凝土柱混凝土內部，在信號源產生的正弦掃頻電壓信號的作用下產生激勵信號，同時在鋼管外壁不同區域粘貼壓電陶瓷片作為傳感器，測量具有模擬剝離損傷的鋼管混凝土柱4個監測面上壓電陶瓷片傳感器的輸出電壓，再分別對位于完好界面和模擬剝離損傷區域壓電傳感器輸出信號進行了小波包總能量和小波包能量譜分析。分析表明，剝離區域的小波包能量譜具有明顯差異。據此提出了基于小波包能量譜的加權相對變化損傷指標，并利用該指標對試驗模型的界面損傷區域進行了準確識別。

綜上所述，目前對鋼管混凝土結構的震后損傷識別的研究主要集中在鋼管混凝土局部質量檢測、鋼管混凝土構件承載能力、滯回性能的研究，而對鋼管混凝土結構的損傷模型的研究還比較薄弱。

2 鋼管混凝土結構損傷識別研究存在的問題

1）識別方法單一 目前，工程中鋼管混凝土結構質量檢測主要集中鋼管混凝土框架柱、梁、節點等局部構件上，針對鋼管混凝土結構整體在地震作用下的損傷診斷尚未見報道。結構損傷識別技術中的局部法存在如下不足：①要求事先知道損傷的近似位置；②要求檢測人員必須到達損傷區域；③損傷檢測期間，要求停止使用檢測結構的相關功能；④不能發現全壽命周期內任一時刻的損傷；⑤不能實時、在線、連續地對結構進行監測。針對鋼管混凝土結構的損傷識別方法單一，存在較大局限性。

2）識別層次有限 Doebling等［9］將土木工程結構損傷識別劃分為5個層次：①確定損傷存在；②確定損傷位置；③確定損傷的類型；④確定損傷程度；⑤評估剩余壽命。由于相關理論和方法存在局限性，目前土木工程結構損傷識別的研究主要集中在前3個層次上，而對土木工程結構的損傷程度和評估剩余使用壽命評估的研究還十分有限。

3）損傷機理不明 鋼管混凝土結構中的鋼管及核心混凝土在受力過程中存在組合作用，其力學性能十分復雜，目前對鋼管混凝上結構的彈塑性變形、動態損傷等多種效應藕合機理還不明確。此外，鋼管混凝土結構損傷是一個復雜的非線性動力過程，其與鋼管和混凝土材料特性、幾何參數和損壞部位等密切相關，這使該問題研究的難度加大。

4）損傷模型不完善 合理的模型是鋼管混凝土結構損傷分析的基礎，其應具備理論上的合理性（不僅能夠反映材料受力行為的主要特征，而且在邏輯上是自洽的）和應用上的簡明性（可以方便地應用于工程結構的分析之中，并且模型的主要參數能通過成熟的力學試驗方法獲取）。已有的鋼管混凝土結構損傷模型過于簡單或繁瑣，難以應用在工程實際中。因此，建立理論基礎嚴謹、形式簡單、參數可用、簡單成熟的鋼管混凝土結構損傷模型勢在必行。

3 鋼管混凝土結構損傷識別研究展望

1）引入土木工程結構損傷識別領域的全局識別方法 該方法基于動力特性的結構損傷識別方法，是通過系統參數識別技術識別出結構的模態參數（頻率、振型、振型、阻尼等），然后由模態參數轉化系統的物理參數（質量、剛度、阻尼等），通過比較參數的變化進而判定結構的損傷狀況。因此，在鋼管混凝土結構損傷識別研究中引入該方法具有重要作用。

2）研究損傷機理，建立精細化的土木工程結構損傷模型 鋼管混凝土是在薄壁鋼管內填充普通混凝土，將2種不同性質的材料組合而形成的組合結構，其震后損傷特性有別于其他的土木工程結構。只有深入研究損傷機理，建立精細化的鋼管混凝土結構損傷模型，才能保證研究結果的真實性和有效性。

3）損傷診斷中的步驟問題 由于鋼管混凝土結構的復雜性，要進一步診斷其損傷狀況十分困難，宜采取多步驟診斷策略，即先確定有無損傷，然后確定損傷位置，最后確定鋼管混凝土結構的損傷程度。

［1］CECS21－2000，超聲法檢測混凝土缺陷技術規程［S］.

［2］邱法維，楊衛東，歐進萍 .鋼管混凝土柱滯回耗能和累積損傷的試驗研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，1996，29（3）：41－45.

［3］潘紹偉，葉躍忠，徐全 .鋼管混凝土拱橋超聲波檢測研究［J］.橋梁建設，1997，23（1）：32－35.

［4］姜紹飛，許丕元，陳維 .鋼管混凝土結構的損傷檢測方法［J］.哈爾濱工業大學學報，2003，35（增刊）：204－207，229.

［5］黃新國 .鋼管混凝土表面波檢測方法的研究［D］.武漢：華中科技大學，2003.

［6］周先雁，肖云風 .用超聲波法和沖擊回波法檢測鋼管混凝土質量的研究［J］.中南林學院學報，2006，26（6）：44－48.

［7］郭蓉，王鐵成，趙少偉仁，等 .方鋼管混凝土柱的地震損傷模型［J］.河北農業大學學報，2007，30（3）：109－112.

［8］許斌，李冰，宋剛兵，等 .基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識別研究［J］.土木工程學報，2012，45（7），86－96.

［9］Rytter A.Vibration based inspection of civil engineering str uctures［A］ .Dissertation Depart ment of Building Technology and Str uctural Engineering［C］.Den mar k：Aalbor g University，1993：34－36.