土木工程結構檢測技術及損傷識別方法研究

（福建農林大學交通與土木工程學院 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展，人們也越來越關心居住質量的提高。土木工程的結構是人們工作、生活、學習環境中的重要支撐，只有確保土木工程的結構安全，才能使人們的日常生活得以順利進行。一旦土木工程的結構難以保證，就勢必會給人們的生命財產安全帶來極大的威脅。由于土木工程結構長期處于外部環境當中，地震、臺風、火災等自然災害的發生會給土木工程結構帶來巨大的影響，外界環境中的雨、雪、灰塵等也會使土木結構長期處于荷載作用下，日積月累之下，土木工程結構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確的判斷，評價土木工程結構的健康狀況具有十分重要的意義。通過檢測技術及損傷識別方法的應用來對土木工程結構進行必要的檢測與診斷是提高工程使用價值、確保民眾生命財產安全的重要手段，而這也使其成為了國內外的重點研究課題。

1.土木工程結構檢測技術研究

1.1 砌體結構檢測技術分析

在土木工程中，砌體結構起到至關重要的支撐作用，它也是土木工程結構中最為常見的一種結構形式，關于砌體結構的檢測方法主要分為兩種形式，一種是動態檢測形式，另一種是靜態檢測形式。不論哪種檢測形式，基于土木工程結構的使用特點，都需要確保檢測技術具備較高的精準度。砌體結構的檢測技術的主要方法包括回彈法與鉆芯法，在選擇檢測方法時，需要依據砌體結構的主要構成材料來進行確定。例如，土木工程的砌體結構為石塊砌體時，利用鉆芯法來進行檢測最為合適，則如果砌體結構為紅磚組成，則可以通過回彈法與鉆芯法結合使用最為合適。在對土木工程的砌體結構進行檢測過程中，檢測人員需要將砌體結構中的自重砂漿輕度作為檢測參數，并利用推出法與筒壓法來進行相應的檢測。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構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構的質量能否滿足要求。筒壓法則需要對砌體結構進行取樣，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量要求。

1.2 混凝土結構檢測技術分析

在土木工程結構中，混凝土的廣泛使用，使混凝土結構大量涌現，由于其具備強度高、工藝簡單的優勢，使混凝土結構越來越受到人們的青睞。而對混凝土結構的檢測技術所采用的方法主要有三種，分別是回彈法、鉆芯法與超聲法。回彈法的優勢在于操作較為簡單，檢測結果較為精確，唯一的缺陷就是會對土木工程的結構帶來一定的影響，這也使其在對混凝土結構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構的強度進行判斷的，在采用這種方法時，需要經過專業機構認可及業主同意后才能使用。鉆芯法是目前混凝土結構檢測技術中最常見的一種檢測方法，它主要是依據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構中進行采樣，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構進行判斷。在混凝土結構檢測技術中，超聲波是一種無損檢測方法，具備檢測速度快，檢測精度高的優勢，其主要是利用超聲波在混凝土結構中受到不同材料及成分的影響，導致其衰減與吸收程度的不同來進行判斷的，當混凝土結構中的超聲波傳播參數產生變化時，檢測人員就能以此判斷出結構內部是否存在質量問題。

1.3 鋼結構檢測技術分析

土木工程結構中，鋼結構由于具備自重輕、韌性強、強度大等優勢，使其在土木工程中得到了非常廣泛的應用，這也使鋼結構成為一種極具發展前景的土木結構。對鋼結構的檢測技術主要是通過對結構中的鋼構件進行相應的檢測，檢測內容主要包括結構中的鋼構件尺寸、構件間的連接情況及鋼構件中的具體損傷程度等，通過這些內容的檢測與收集來為檢測人員對鋼結構的質量問題判斷提供依據。

2.土木工程結構損傷識別方法研究

當采用檢測技術來對土木工程結構進行檢驗時，一旦發現土木工程結構中存在損傷或質量問題時，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，以此評估結構的整體性能。一般情況下，對土木工程結構的損傷識別需要確定以下兩個方面的內容，其一是對土木工程結構的剩余使用壽命進行預測；其二是對結構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，比較常見的有聲發射法、回彈法、發射光譜法、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，能夠對結構中的裂縫位置進行精確的檢查與識別。此外，在對土木工程結構進行局部損傷識別時，還可以通過將這些方法進行結合實合來對結構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，不僅能夠對結構中的損傷程度進行精確識別，還能夠對土木工程結構中的損傷類型及損傷位置進行精確的識別。不過，如果土木工程的結構非常復雜的話，采用這些方法難以對結構的整體損傷信息進行獲取。

2.2 整體結構損傷識別方法

土木工程結構中包含著大量的剛度、阻尼、質量等物理參數，這也使其成為一種非常復雜的力學系統。當土木工程結構中產生損傷時，其整個結構參數也會產生重大變化。因此，對整體結構損傷的識別與判斷，可以通過其參數變化來進行確定，而整體結構損傷識別方法便是依據該原理來進行檢測的。整體結構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、神經網絡算法及動力指紋法。以下便對這幾種整體結構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構模型的構建來對其約束條件進行優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構中的阻尼、質量、剛度等特性進行修正。模型修正法的結構測試響應與最大響應基本相同，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構損傷識別與判斷。此外，模型修正法還能夠對結構中的單元進行劃分，并對其結構中的子結構模型進行相應的處理。不過，由于其在測試過程中對參數的敏感度不足，因此會造成測量過程中產生較強的噪音或測量結果發生較大誤差等現象，這也使其在對土木工程結構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試驗所獲得的模態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定性不足。

2.2.2 遺傳算法

遺傳算法是根據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、優勝劣汰的原則來對土木工程結構損傷進行識別的，采用這種方法能夠求出土木工程結構的最佳狀態，通過計算的方式將各個目標解進行求出，并通過共同搜索的方式來對這些目標解進行分別優化，以此篩選出最佳的目標解。遺傳算法在土木工程結構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構損傷的識別與判定，即使結構中的模態信息缺失，也不會給遺傳算法的識別結果帶來影響。

2.2.3 神經網絡算法

神經網絡算法也是土木工程結構損傷識別的一種檢測方法，它是通過對人體神經機理進行模擬的方式來對土木工程結構進行分析與研究的。神經網絡算法同時兼顧了強大的并行計算能力與自我學習能力，并且具備較高的容錯率，能夠依靠神經功能中的擴散、聯想與綜合，通過黑水識別的方式來消除損失識別過程中產生的高分貝噪音與檢測損失，這也使其在土木工程結構損傷識別中成為一項非常重要的檢測方法。神經網絡算法能夠根據不同狀態下的土木工程結構所產生的不同反應，來對這些反應的特征值進行提取，并將結構損傷的敏感參數作為該算法的輸入向量，以此輸出與之相匹配的結構狀態，以此形成輸入參數和輸出狀態相對應的特征關系，并且，神經網絡算法還能根據其強大的并行計算能力來對模式進行分類，以此對結構損傷模式進行某種程度上的真實反應。此外，神經網絡算法的自身特性能夠對非線性結構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中顯得尤為適合。神經網絡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

當土木工程的整體結構發生損傷時，其結構參數會在某種程度上產生變化，進而造成其自身動力特性發生改變，而動力指紋法便是依據結構中動力特性的改變來對結構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、應變模態、頻響函數、坐標模態保證準則、頻率、模態曲率、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.結語

綜上所述，對土木工程結構的檢測技術與損傷識別方法已經越來越受到人們的關注，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構的檢測技術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新，才能使結構檢測技術與損傷識別方法得到不斷發展，為人們創造一個健康、舒適、安全的生活環境。