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浅析土木工程结构损伤诊断与展望

发表时间：2021/5/28 来源：《基层建设》2021年第2期作者：赵思宇

[导读] 摘要：在对土木工程结构进行研究时，结构稳定这一问题至关重要。在对待结构稳定时，经常会用到结构损伤诊断技术。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：在对土木工程结构进行研究时，结构稳定这一问题至关重要。在对待结构稳定时，经常会用到结构损伤诊断技术。本篇文章在对结构损伤诊断研究现状进行分析后，总结出了一些了可用于土木工程结构中的新型损伤诊断的方法，并对其作出了一些相关的介绍。此外，本文还对这些诊断方法和手段进行较为详细的展望。
        关键词：结构损伤；诊断；结构振动
        引言
        一些很大的土木工程结构的灾害发生的时候，如桥梁、高层建筑物在遭受龙卷风、泥石流、洪流、等大型灾害均将造成很多人员和财产的损失。各个行业都随着社会的发展而发展，目前土木行业渐渐受到了人们的重视。特别是土木工程结构的稳定性尤其重要。土木工程的结构稳定关乎民众的切身利益和社会财产的安全，所以我们对这一行业的检查不得有一点点的松懈，同样的对相关结构损伤诊断的研究也不能掉以轻心。本文较详细地介绍了可用于土木工程结构中的新型损伤诊断的方法。
        1 结构损伤诊断技术
        结构损伤检测是指通过验收后，在建筑物正常使用过程中，通过勘察，观察，测量，试验方法和手段对建筑工程造成的破坏和损坏程度进行整体分析。土木工程结构破坏检测是一项高水平的技术挑战，对土木工程的内外结构，建筑材料的类型和性质，结构范围和强度，损伤特征和形式的熟练结构进行损伤检测是一门艰巨的任务。一般来说，土木工程检查的内容首先检测受损建筑物的一般范围，然后对建筑物的初步损坏进行调查和测试，并阅读建筑物的原始设计。应根据原有施工情况的现有数据，详细进行加固，维护，扩建等，并对损坏进行详细调查，主要是建筑物的结构布局，支撑系统和连接结构。最后详细分析建筑物的破坏程度，并根据获得的数据，得出建筑物结构的损坏程度，并编写了损伤检测报告。
        2 工程结构损伤诊断方法
        目前大多数应用于土木工程结构损伤诊断中的方法，基本上都属于属于静态参数诊断检测法，如:声波检测法、射线穿透检测法、目测法等。这些诊断识别方法不够精确，且效率较低，常常将结构检测复杂化。同时这些方法大多数都隶属于土木工程结局部损伤检测技术, 在用于检测整体工程结构损坏时，常常会超出测量范围，从而由于极限使用而难以操作。
        2.1神经元诊断法
        此法较为新颖，被广泛应用于土木工程结构损伤的诊断和检测中。在利用这种方法时，基本单元神经元时最为重要的，它与数据的分析和传输息息相关。神经元的好坏直接决定了模型的运行效率。它大大地加速了模型分析和存储数据的能力。同时，这种方法也大大地增加了工程结构损伤数据的容错性，有助于模型的索引识别和校正。
        2.2模型诊断法
        此方法主要通过建立动态数据模型，来完成原始静态数据模型获得的数据和振动响应数据之间的转换。然后通过对比理论原理和数据，从而通过各项结构参数，结构的安全需求这些方面来评价这些诊断方法是否达标。相较于传统的静态参数诊断法，此方法精确度较大且效率更高。同时还可以从整体评价土木工程结构损伤程度和安性能参数。在使用这种方法时，首先模型的建立非常重要，同时我们还需要用到大量的数据对比。因此这种方法要求数学和力学知识较扎实的专业人员来实施。
        2.4遗传诊断法
        遗传诊断法不仅用到了结构损伤检测这门学科的知识，还综合利用了许多其他学科的知识。遗传诊断法最大的优点就是可以利用尽量少的数据来得到最有用的结果，在使用遗传算法时，我们只需要找到相关的可行解所对应得计算目标，不必去找到其连续性的目标函数。在使用这种方法时，所需要用来建立模型的数据较少，因此可以大大的减少人力的开销，同时此种方法的抗干扰能力也较强，因此该方法得到了较大的推广，使用此种方法的人数较多。
        2.4动态参数诊断法
        相较于传统的静态参数诊断方法，我们发现了动态参数诊断法。静态参数不适应用判定土木工程整体损伤程度。频率、振型、模态曲率、频响函数、应变模态、模态柔度矩阵、传递函数、功率谱、能量传递比(ETＲ)、模态保证准则(MAC，COMAC)等是我们目前常用到的一些动态参数。

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这些动态参数会随着处理对象位置的改变而变化，所以在局部损伤检测完以后，工程结构的位置会发生改变，从而导致相关的动态参数也发生改变。这也解释了为什么不同局部的动态参数有一定的联系。并不是可以分开求得的。最后分析处理这些参数建立的模型，就能获得整个土木工程结构的损伤诊断结果。
        2.5小波诊断法
        小波分析是近期数学争论中分析技术的最新发展成果，这种新颖的信号处理手段很好处理土木工程结构中的震动这一很难的问题。利用小波分析抗干扰能力强的特点解决模型数据传导过程中的信号泄漏和衰减的问题。一方面，小波分析可用于消除反向信号的干扰，第二，小波分析可用于区分相反信号的精细程度。可见小波诊断法对振动对于振动的土木工程结构损伤的检测是一种非常好的方法。
        3 问题与展望
        通过上述问题的分析可以发现，虽然目前结构损伤诊断技术已经获得了较大的进步，但是目前土木工程结构中仍然存在较多复杂的问题需要我们去改善和诊断。特别是高层建筑和桥梁工程等领域，一些比较精细的诊断研究，目前的技术手段还没有办法完成我们想要的目的，所以本文结合了目前损伤诊断技术的发展动态，总结出了以下几点较为重要的展望:
        1)需要发展更可靠的损伤判别指标,以此来降低该指标的误判率和漏判率。要实现这个目的,所使用的特征量必须敏感而且能准确测量。
        2)非线性损伤诊断技术的研究。实际工程结构是非线性结构,只是非线性的强弱不同。相较于线性技术，非线性技术研究虽然难度很大，但是却非常实用。因此目前非线性诊断的应用较广。在利用非线性系统来处理费数据时，小波分析，神经元诊断法和遗传算法这些上文中介绍过的新型诊断方法，具有明显的优势。这也解释了为什么这些新型的诊断方法能够成功地得到发展，并且在结构检测和诊断方面得到了极大的推广。
        3)传感器优化放置方法包括确定传感器的数量和位置。目前我们常常依靠很多优化的方法来进行全局结构分析模型，最后再利用这些优化的算法来判断传感器的位置在何处。广义遗传算法是更好的算法之一。关于最佳传感器放置，最佳位置和抗噪性，仍有许多工作要做。
        4)还需要开展大量实际结构损伤诊断技术应用型研究。目前的研究结果中还比较缺乏可应用于实际结构中的损伤诊断技术，因此我们还有必要进行许多的实验来验证不同的结构，从而损伤检测方法才可以得到广泛应用。
        5)结构体系可靠度研究。土木工程结构的稳定性与整个建筑业的发展前景有关，应该得到我们的重视。我们应该结合损伤诊断技术与结构可靠性理论的相关特点，虽然结构可靠性研究目前还处于初步阶段，相关的理论还不太成熟，但是它是我们用来安全评估的必不可少的工具。
        土木工程结构的诊断与检测决定了与整个土木业的发展，因此我们在对待这个问题时，不能有一丝一毫的马虎。土木工程结构损伤诊断技术与结构稳定性息息相关。土木工程损坏诊断有助于控制和减轻土木工程中的危险和不稳定因素。总之，工程结构损伤的诊断是整个项目建设的重要组成部分。虽然当今我们在建筑结构工程的质量推理诊断方面拥有丰富的经验，但在实践中，诊断报告仍然存在一些缺点。因此，我们将继续对结构工程质量推理诊断方法进行更详细的研究，不断提高工作效率，创新工作方法，科学地开展诊断工作，努力达到新的水平。这是十分必要的。
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