工程结构损伤检测与识别方法的分析研究.pdf

中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 103 工程结构损伤检测与识别方法的分析研究 蒋艳萍1 李分连2 1.桂林盛宏工程检测有限公司，广西 桂林 541300 2.广西建宏工程科技有限公司，广西 桂林 545000 摘要：摘要：在国内，目前已发展出一种基于心细技术与有限元与人工智能技术相结合的检测体系。土木建筑的结构不仅影响着建筑的总体性能，还影响着人民的生命和财产，因此，对其进行有效的检测和损伤识别，可以大大地提升其安全性。因此，本论文就对土木工程结构的检测技术和损伤识别方法展开了深入的研究，并对结构检测技术和损伤识别方法在土木工程结构的检测过程中的应用优点进行了进一步的分析。关键词：关键词：土木工程；结构检测；检测技术；损伤识别 中图分类号：中图分类号：TU317 在国内，目前已发展出一种基于心细技术与有限元与人工智能技术相结合的检测体系。这是由于，在土木工程结构中，通过对其进行性能检测，可以得到大量的数据，从而可以对其进行修复，从而为其进行维修和管理，做出正确的选择。在国内，在航空、航天等多个行业，对其进行状态监控很久以前就有了长足的进步。然而，在我国，由于缺乏对建筑构件进行性态测试的研究，因此，我国建筑构件性态测试技术的研究才刚刚起步，而我国建筑构件性态测试技术的研究还处于起步阶段。1 土木工程结构检测技术研究 1.1 砌体结构检测技术分析 在土木工程中，砌体结构发挥着关键的支撑作用，也是最常用的一种结构形式，对于砌体结构的检测，主要有两种方式，一种是动态检测，一种是静态检测。无论采用何种检验方式，都必须根据建筑物的服役特性来保证检验方法的准确性。对砌体结构进行检测的技术有两种，一种是回弹法，另一种是钻心法，在对其进行检测时，要根据砌体结构的主体组成材质来进行。举例来说，当土木工程的砌体结构为石块砌体时，采用钻芯法来进行检测最为适宜，而当砌体结构为红砖组成时，可以采用回弹法与钻芯法相结合的方法。在对某土建工程砖石建筑进行质量检验时，必须以砖石灰石厚度为检验指标，采用推挤和圆筒压力两种方法进行检验。推出法的检测过程相对于筒压法要更加简单，不需要进行采样，检测人员可以利用推出仪来对土木工程结构中的砌块进行推出，根据推出砌块时的力量与砌体的砂浆饱满程度，来判定砌体结构的质量是否符合要求。筒压定律是指对砌体结构进行采样，将采集到的样品经粉碎、干燥后，根据砂浆颗粒的级配，将其置于承筒内进行筒压，从而判定样品中的砂浆是否能够达到土木工程的质量标准。1.2 混凝土结构检测技术分析 随着混凝土在各种建筑领域的应用，混凝土建筑材料以其较高的强度和较简单的施工工艺而得到了越来越多的应用。其中，回弹法、钻芯法和超声波法是目前混凝土工程中常用的三种检测技术。回弹法的优点是操作简便，测试结果准确，但缺点是会对土木工程的结构造成一定的影响，因此在对混凝土结构进行测试时，也存在着很大的局限性，主要是根据重锤的弹簧长度的初始值和反弹距离的对比，来判定混凝土结构的强度，在采用该方法时，必须得到专家的认可，并得到了业主的批准。在当前的混凝土结构检测技术中，钻芯法是最常用的一种检测方法，其主要是根据回弹仪来进行检测的，其工作过程一共分为三个步骤，首先是使用钻机在混凝土结构中进行取样，其次是将采集到的样品用压力机械进行压碎试验，从而获得混凝土样品的实际抗压强度。第三步，就是通过试件的抗压强度和其它的物性参数，对试件的构造做出评价。在混凝土结构检测技术中，超声波属于一种无损检测方法，它具有快速、高准确率等优点，它主要是根据超声波在混凝土结构中受到各种物质及组成的影响，从而造成其衰减与吸收程度的差异来对其进行判定的。当混凝土结构中的超声波传播参数发生改变时，检测中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 104 人员就能以此来判定出结构中是否有质量问题。1.3 钢结构检测技术分析 在众多的建筑材料中，钢材以其轻质、高韧性和高强等优点，被大量地使用，是一种很有前途的建筑材料。对钢结构的检测技术，主要是以对结构中的钢构件展开相关的测试为手段，测试的内容主要包含了：结构中的钢构件尺寸、构件间的连接状况以及钢构件中的特定的损伤程度等。在对上述的测试和采集的基础上，可以为检测人员对钢结构的质量问题的判定奠定基础。2 土木结构损伤识别中存在的主要问题 2.1 结构模型出现了误差 当前，木材工程中的破坏预报通常是在有限的约束下进行的，在此前提下，必须把目标体系转化为特定的模式。然而，针对特定的土木工程体系，在建模时往往会产生许多十分复杂的问题。因此，在结构建模过程中会发生许多无法避免的错误，而造成这种错误的最重要的因素就是结构的复杂性，也就是说，在结构建模过程中，不能精确地反应出结构中的某些具体问题，从而造成了很大的错误。虽然随着科技的发展，已经出现了许多新型的数值仿真手段，可以有效地降低数值仿真中的计算结果对数值仿真结果的影响，但这些影响并不能从根本上彻底消除。同时，由于新的理论与模式的不断涌现，使得对建筑物的受力特性也可以得到更为准确的检验。并提出了用构造辨识法对构造模型进行优化的目标。因为在土木建筑中，往往会有一些计算上的错误，这种错误将会给建筑的破坏辨识带来困难。所以，对建筑物进行损伤分析时，其建模结果的偏差是一个很大的难题。2.2 实测数据的不完整性 土木结构损伤识别也面临着测量资料不完备的问题。然而，在工程实践中，因为各种约束，测量结果往往是不完备的。测量结果的不完全性，很大程度上是因为对建筑物进行构造检测时，仅限于某些特定部位。特别是那些比较复杂的建筑，他们所能做的实验，就更少了。例如，观测数据是不完全的，大部分的结构损伤识别方法都假设了结构模型自由度与测量自由度是一样的，但是在现实的结构中，因为条件上的限制，会导致测量数据是不完全的。例如，对于一些比较复杂的结构，检测传感器的配置往往比较少；试验结果的不完备性与其构造类型也有一定关系，如含有弯曲杆系的建筑，其转动自由度在工程中并不能观察到；由于受激励模式、采样与过滤等因素的制约，在实际工程应用中，仅能得到范度较低的频率范围内的模态数据。另外，由于观测资料的非完备性，无法给出有效的判别信息，使得判别问题更加复杂。所以，测量资料的不完备性对建筑物的破坏程度有很大影响。2.3 实测数据的不精确性 同时，测量结果的不准确也成为了建筑物破坏鉴定中的一个难题。在对测量的数据进行二次加工时，因为电学信息的不同，导致了测量技术的不准确。在工程应用中，为确保测量结果的准确性，通常采取对模型进行压缩或将模式展开等方式，从而产生一定的误差。所以，测量结果的不准确也是导致上述问题的原因之一。由于结构属性变化所造成的结构变化，也有可能被数据误差所遮蔽，从而造成检测系统不能对损伤进行识别。当然，在进行建筑物的破坏鉴定时，某些影响其准确性的因素也是不可避免的。所以，上述问题已成为制约其发展与推广的瓶颈问题。当前，有些算法还不能很好的处理观测资料的不准确问题，有待进一步深入研究。3 土木工程结构损伤识别方法研究 在使用检测技术来对土木工程结构进行检查的时候，如果在其内部发现了损伤或者有质量问题，就必须使用损伤识别方法来判断损伤类型和损伤程度，从而对其进行全面的评价。通常，在对建筑物进行破坏分析时，首先要考虑到建筑物的剩余寿命；二是要判断出该建筑在地震作用下的真实破坏状态和破坏部位。3.1 局部损伤识别方法 局部损伤识别方法有很多种，最常用的有声发射法、回弹法、发射光谱法、射线尘法、脉冲回波法等，它们都是局部损伤识别方法，可以准确地检测和识别结构中的裂纹位置。另外，将上述几种方法有机地组合起来，可以实现对土木建筑结构的整体破坏状态的统一判别。利用这些识别方法，不但可以对结构中的损伤程度进行准确的判别，还可以对土木工程结构中的损伤类型和损伤部位进行准确的识别。但是，对于一些比较复杂的土木建筑，利用上述几种方法很难获得其全局破坏的信息。中文科技期刊数据库（引文版）工程技术 105 3.2 整体结构损伤识别方法 由于土木建筑的刚度、阻尼和质量等物理参量较多，所以它是一个十分复杂的机械体系。在土木建筑中，一旦发生了破坏，其整体的性能也将发生很大的改变。这样，就可以根据其参数的改变来判定整个结构的破坏程度，并根据这一原则来判定整个结构的破坏程度。提出了一种基于神经网络的基于动态特征的动态特征提取算法，并对其进行了实例分析。下面，我们就来讨论一下这些基于大跨度框架的损伤辨识方法。3.2.1 模型修正法 模型修改法是一种基于有限元分析和有限元分析的有限元分析方法，可对有限元分析中的阻尼、质量和刚度等性能进行一定的修改。该方法的结构试验响应与最大响应基本上一致，可以将模型矩阵与基准模型矩阵进行修改，并将其进行对比，从而实现对土木工程的结构损伤的识别与判定。另外，模式修正方法可以将建筑内部的单元分解，并且可以将其内部的子结构模式加以对应。但是，它在检测时对参数敏感性不够，会导致检测时噪声很大，或者检测结果有很大的偏差，从而给土木工程结构的破坏鉴定带来了很大的困难。3.2.2 遗传算法 遗传算法是在大自然的物竞天择生存定律的基础上发展而来的，其基本原理是按照适者生存、优胜劣汰的原则，来对土木工程结构的损伤进行辨识，利用该方法可以寻找到土木工程结构的最优状况，利用运算的方式得到每一个目标解，并利用联合搜索的方式，对每一个目标解进行单独的优选，从而选择出最优的目标解。在土木工程结构的损伤识别中，基因算法具有很好的适用性，而且它的运行过程也比较容易，尤其适用于那些信息量较小的情况下，对基因算法进行识别和判断，即便是在没有模型的情况下，基因算法的识别效果也不会受到影响。3.2.3 神经网络算法 神经网络算法是一种基于人类神经系统机制的模型，用来对其进行分析和研究的一种新的方法。神经网络具有很强的平行运算和自学习的特点，具有很高的误差容忍度，可以利用神经网络中的扩散、联想和合成等特性，利用黑水辨识技术有效地抑制了丢失辨识中的高分贝噪声，降低了辨识误差，是一种十分有效的辨识技术。神经网络算法可以基于土木工程结构在各种状态下的响应，抽取响应的特征值，并以结构损伤的敏感参数为输入向量，输出与其相应的结构状态，从而建立起相应的输入参数与输出状态之间的特性关系，同时，基于其强大的并行运算能力，可以对模型进行分类，从而得到一定的实际响应。另外，由于神经网络算法本身的特点，使得它可以很好地对应到非线性的结构，因此，它特别适用于对非线性的模态进行分类和识别。3.2.4 动力指纹法 在土木工程中，如果整个结构出现了损坏，那么它的结构参数就会有一定的变化，从而导致它本身的动态特征也会有一定的变化，而动态特征提取方法就是根据它的动态特征的变化来确定它的损伤程度。在动态指纹中，最常见到的动态特性包括了振型、应变模态、频响函数、坐标模态保证准则、频率、模态曲率、柔度等。在动态指纹法中，可以通过振型差法、曲率模态法、频率比法等来进行识别，可以通过刚度差阵、能量损伤指纹、柔度差阵、能量商差指纹等来识别。另外，FRF 波形指纹法和曲率法也有应用前景。4 结语 总之，近年来，我国建筑结构的无损检测和破坏诊断技术得到了广泛的重视，并且在这方面有了很大的突破。但是，当前，国内对土木工程结构的检测技术与损伤识别方法的研究还需进一步深化，这就要求我们坚持执着的态度，对其进行研究和创新，这样才能促进结构的检测技术与损伤识别方法的发展，为人民创造一个健康、舒适、安全的生活环境。参考文献 1林智雄.土木工程结构检测技术及损伤识别方法研究J.山东农业工程学院学报,2018,35(8):25-26.2郭鹏飞.土木工程结构健康诊断中的统计识别方法综述J.居业,2018(4):105-106.3卢成钢,高萍.土木工程结构健康监测方法探析J.企业导报,2009(7):176-177.