工程结构损伤检测的智能方法

工程结构损伤检测的智能方法

赵安

身份证号：132622197907172622

摘要：进入21世纪以来，在科技革新和产业升级的驱动下，我国基建水平快速发展，对于桥梁结构损伤识别技术的应用需求更加广阔。针对桥梁结构的特点，基于施工、健康监测和人工巡检多位一体的多体系损伤识别方法是桥梁结构损伤识别的发展方向，损伤识别的智能方法也是重中之重。本文对此展开探讨分析。

　　关键词：损伤识别;健康监测;智能方法

一、现有的损伤诊断技术

结构损伤识别技术属于工程故障诊断的范畴。工程故障诊断研究始于上世纪70年代，经过30多年的发展，已经在机械、航天、航空等领域取得了若干新理论并得到了较为广泛的应用。在土木工程领域，由于研究对象的特殊性并没有形成完备的理论和实践体系。

（一）结构损伤检测的内容

结构损伤诊断主要包括三个方面的内容：（1）结构损伤的识别；（2）结构的损伤定位；（3）结构损伤程度的标定与评价。损伤识别是进行结构故障诊断的基础，目前国际上关于结构故障诊断的研究多集中在损伤识别层次上，损伤定位是结构故障诊断的核心，也是问题的难点所在：损伤程度的标定与评价通常是对工程结构进行故障诊断的目的所在，是进行结构完整性评定及实施维修决策的依据。

实践证明，结构故障诊断识别必须选取：（1）结构系统状态发生微弱变化而获得较大变化——高度敏感性的故障特征参量；（2）依赖于结构系统变化而变化——高度可靠性的故障特征参量；（3）便于检测的实用性故障特征参量，进行结构损伤识别的关键是确定标识损伤的故障特征参量。

（二）结构损伤检测方法分类

结构损伤识别技术可分为局部损伤识别（LocalDamageIdentification）技术和全局损伤识别（GlobalDamageIdentification）技术。局部损伤识别技术主要用于探测结构的局部损伤。这类技术在建筑、航天和船舶等领域有着广泛的应用。但这类技术在应用上有很多限制和弊端：一是对一些不可见、不开敞的部件难以监测：二是对一些大型结构（特别是比较复杂的大型结构）检测其损伤往往是不可能的；三是这类技术要求监测人员必须到现场才能进行检测可见，该技术适宜小型结构的损伤检测。

另外，一些结构的在线检测亦无法实施。例如，要求发电机组停止运转的情况下进行测试，这是非常不经济的，甚至无法做到。于是，另外一种局部损伤识别技术出现了。这种技术把传感器（如应变片、光栅、加速度传感器等）固定在一些重要部件上，从而对这些部件进行远距离在线检测。该技术在航空航天、化工设备、公路桥梁和土木建筑上有很广泛的应用，其优点是可以直接确定构件的裂纹及其位置。对于压力容器、机翼和油箱等小型有规则的结构，局部损伤识别技术是很好的识别方法，但对于大型、复杂的结构，这种技术用来检测结构的每一部分是不可能的。因此，局部损伤识别技术仅用于检测结构的特别部件。

二、非传统的损伤检测法

（一）基于静力参数的损伤诊断法

该法通过在结构上施加静力荷载，建立静力平衡方程，根据实际检测到的结果便可轻而易举的得出包括结构刚度、位移、应变等在内的静力参数。一般在单元层次上应用上述方法进行建筑工程结构损伤的检测与识别。现阶段的静力测试仪造价不高且技术先进可靠，检测结果较为精准，但因为其对试验环境的要求较高且工作量较大，所以并不能达到实时、在线的健康监测和损伤检测目的。另外，破损的结构受到特定荷载的影响却几乎没有发生形变时，想得到预期的诊断结果是有些难度的，因为基于静力参数的损伤诊断法本身存在一定的局限性。

（二）基于振动的损伤检测法

1、动力参数诊断法

进行建筑工程结构损伤检测的主要目的除了确定是否存在损伤，还要确定损伤位置及损伤程度。动力参数诊断法是指将通过观察得到的包括振型、频率、功率谱、模态曲率、应变模态、传递函数、能量传递比、模态柔度矩阵等在内已经改变的动力参数与基准参数进行比较，之后通过选择可能性最大的改变来确定结构的真实情况。因为任何二阶振动模态相互间改变的自振频率情况可以作为损伤位置的函数，所以可用其当作损伤指标；但其也存在一定局限性，例如自振频率对局部损伤的敏感性不强，如果不同位置的损伤出现相同的自振频率，就要结合模态振型信息或灵敏度进行损伤定位。

2、神经网络法

大量的神经元构成了敏感的神经网络，神经网络负责信息处理工作，其通过网络元件之间的相互连接与分布式联系储存、传输信息。网络元件之间的动态连接演化过程决定了控制、优化与识别的难易程度，神经网络之所以被广泛应用于这些领域很大程度上取决于其强大的容错性与非线性。神经网络与模态修正法及信号处理法相比，其适应性更强，可适用于线性和非线性系统；另外，神经网络极强的环境振动处理能力降低了实际工程中的应用难度，这也是其他方法无可比拟的优势之一。

三、建筑工程结构的损伤检测技术的应用

在建筑工程结构检测的过程中，通常都包括三方面的内容，即混凝土指标、钢筋锈蚀指标与耐久性指标。在实际检测的过程中，这几项指标相互之间存在一定的差异，导致在应用标准与要求方面也存在差异。

（一）混凝土检测指标

针对建筑工程，混凝土结构检测的指标通常包括耐久性、强度与刚度。因此在实际结构检测的过程中需要从这三方面来系统的分析。我国在很早的时候就已经对建筑混凝土质量检测提出了正式的文件规定，建筑工程检测的时候将此项文件落到实处，并且部分检测工作实施的过程中将混凝土检测指标作为检测依据。可以说，混凝土检测指标为建筑工程结构检测提供了有效的技术支持，并且在此基础上，建筑混凝土检测获得高度的重视，同时检测技术也在不断地完善。针对建筑工程混凝土的相关要求，应用相应的检测方法，同时结合当前检测技术发展状况，可以有效提高工程检测结果的可信度。

（二）钢筋锈蚀指标检测

针对钢筋锈蚀检测，通常需要对两方面进行检测，即钢筋锈蚀的程度与钢筋锈蚀的速度。这两个检测方面与工程建设环境的特殊性与复杂性具有一定的关系。对建筑工程结构检测而言，钢筋锈蚀检测指标与工程的使用寿命与安全稳定性具有非常紧密的联系。因此，在建筑工程结构检测的过程中科学检测钢筋混凝土锈蚀，将对工程稳定、安全具有非常重要的作用。

（三）结构耐久性指标检测

建筑工程是我国重点建设项目，在使用寿命方面需要严格的控制。在此种情况下，需要针对建筑工程的耐久性进行检测。建筑工程耐久性的检测针对的内容主要是这么几点。首先，混凝土受损的程度；其次，混凝土防渗的效果。如果在建筑工程检测的过程中获得有效、准确的耐久性检测结果，就需要对建筑工程施工现场抽样检测，这样对保证检测结果的有效性与准确具有非常重要的意义。

　　结论
　　虽然目前已经有大量学者进行结构损伤识别的工作并且取得了一定的成功，但是很多的方法仅是在实验室是环境下成立的，存在于模拟之中，有一定的局限度，要想真正的应用在实际工程项目中还有一定的难度。在外部环境的干扰下，要想得到损伤结构完整的数据还需要进行多方面的研究，如何从实验模型应用到工程结构中无疑是一个很重要的问题。在未来，结构损伤识别主要会对小波分析、环境激励下的方法以及全过程的结构损伤识别方法进行研究。相信在未来，学者们能将实验室方法真正的应用到实际项目中。
　　参考文献：
　　[1]吴向男，徐岳，梁鹏，等.桥梁结构损伤识别研究现状与展望[J].长安大学学报（自然科学版），2019，33（6）：49-58.
　　[2]苗晓婷.基于导波的结构健康监测中特征提取技术与损伤识别方法的研究[D].上海交通大学，2021.