钢结构损伤机理及检验方法.doc

钢构造损伤机理及检测办法

姓 名：**
班 级：土木****班
学 号：********

摘 要：本文从钢构造损伤机理与损伤检测办法入手，简介了国内外构造损伤检测办法现状，并详细阐述了基于小波变换构造损伤检测办法、基于柔度构造损伤检测办法、基于神经网络构造损伤检测办法等几种构造损伤检测办法。
核心词：钢构造损伤 检测办法 小波变换 柔度 神经网络

1 引言
重大工程诸如跨江跨海大跨度桥梁、用于大型体育赛事大跨度空间构造、代表都市象征超高层建筑、开发江河能源大型水利工程以及核电站工程等，它们有效期长达几十年甚至上百年，在环境侵蚀、材料老化和荷载长期效应、疲劳效应和突变效应等灾害因素共同作用下，将必可避免地浮现构造系统损伤累积和抗力衰减，从而导致抵抗自然灾害甚至正常环境作用能力下降。尽管这些都是设计时可以预料到成果，但是却无法完全考虑所有因素影响，从而无法推断构造内部应力实时状况，也无法预知构造随着时间推移，在一定荷载作用下反映。
因而，为了保障构造安全性、完整性、合用性与耐久性，已建成重大工程构造和基本设施需采用有效地技术手段监测和评估其安全状况，并及时修复和控制构造损伤；而对于新建大型构造和基本设施应总结以往经验和教训，在工程建设同步安装长期构造健康监测体系以监测构造服役安全状况，同步为研究构造服役期间损伤演化提供有效和直接实验平台。
2 钢构造损伤机理及危害
2.1 钢构造稳定问题
钢材强度远较混凝土、砌体及其她常用构造材料强度高，在普通建筑构造中按容许应力求得钢构造构件所需断面较小，因而，在多数状况下，钢构造构件截面尺寸是由稳定控制。钢构造构件失稳分两类：丧失整体稳定性和丧失局部稳定性。两类失稳形式都将影响构造或构造正常承载和使用或引起构造其她形式破坏。
影响构造构件整体稳定性重要因素有：
（1）构件设计整体稳定不满足，即长细比不满足规定。
（2）构件各类初始缺陷，涉及初弯矩、初偏心、热轧和冷加工产生残存应力和残存变形及其分布、焊接残存应力和残存变形等。
（3）构件受力条件变化，如超载、节点破坏、温度变化、基本不均匀沉降、意外冲击荷载、构造加固过程中计算简图变化等。
（4）施工暂时支撑体系不够。
影响钢构造构件局部失稳重要因素有：
（1）构件局部稳定不满足。
（2）局部受力不稳加劲构造办法不合理。
（3）吊装时吊点位置选取不当。
2.2 钢构造疲劳破坏
钢构造在持续重复荷载下会发生疲劳破坏。在疲劳破坏之前，钢构件并不浮现明显变形或局部颈缩，钢材疲劳破坏是脆性破坏。疲劳破坏机理是：钢材内部及其外表有杂质和损伤存在，在重复荷载作用下，在这些薄弱点附近形成应力集中，使钢材在很社区域内产生较大应变，于是在该处一方面发生微裂，在重复荷载继续作用下，微裂扩展，前裂口发展到一定限度，该截面上应力超过钢材晶粒格间结合力，于是发生脆断。
钢材断裂时，相应最大应力σmax称为钢材疲劳强度，疲劳强度与荷载循环次数等因素关于，构造工程中是以二百万次循环时产生疲劳断裂最大应力作为疲劳极限。钢材疲劳强度与钢材自身强度关系不大，而与构件表面状况、焊缝表面状况、应力集中、残存应力、焊缝缺陷等因素关于。
2.3 钢构造脆性破坏
钢构造一种明显特点是变形性能好，特别是当构件使用低碳钢时，由于低碳钢有明显屈服台阶，因而钢构造破坏是有先兆。但是在一定条件下，钢材会发生脆性断裂，构成无先兆突然破坏，这种破坏是建筑构造设计和使用中所不容许，因而应特别予以注意。
钢构造脆性断裂可提成如下几种类别：低温脆断、应力腐蚀、氢脆、疲劳破坏和断裂破坏等。导致脆断因素除低温、腐蚀、重复荷载等外部因素之外，钢材自身缺陷、设计不合理及施工质量等是构成其破坏内因。由于脆性破坏是突发，没有明显预兆，因而发现问题加固解决是比较困难，重要是采用防止办法，使其不产生脆性断裂。
2.4 钢构造防火与防腐
2.4.1 钢构造防火
钢构造防火性能较差。温度升高钢材强度将减少，当温度达到550℃时，钢材屈服强度大概降至正常温度时屈服强度0.7。就是说，构造即达到它强度设计值而也许发生破坏。设计中应依照关于防火规范规定不同防火级别及不同使用规定，使建筑构造能满足相应防火原则规定。
2.4.2 钢构造防腐蚀
钢材由于和外界介质互相作用而产生损坏过程称为腐蚀，又叫钢材锈蚀。钢材锈蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是大气或工业废气中含氧气、碳酸气、硫酸气或非电介质液体与钢材表面作用（氧化作用）产生氧化物引起锈蚀。电化学腐蚀是由于钢材内部有其她金属杂质，具备不同电极电位，在与电介质或水、潮湿气体接触时，产生原电池作用，使钢材腐蚀。绝大多数钢材锈蚀是电化学腐蚀或化学腐蚀与电化学腐蚀同步作用形成。钢材腐蚀速度与环境湿度、温度及有害介质浓度关于，在湿度大、温度高、有害介质浓度高条件下，钢材腐蚀速度加快。
3 构造损伤检测办法
构造损伤检测可采用外观目测、基于仪器设备局部损伤检测、基于静态数据构造损伤检测和基于动态数据构造损伤检测等办法，它们各有特点，合用于不同工程实际。
3.1 损伤检测内容
构造在长期自然环境和使用环境双重作用下，其功能将逐渐削弱，这是一种不可逆转客观规律，如果可以科学地评估这种损伤规律和限度，及时采用有效解决办法，可以延缓构造损伤进程，以达到延长构造使用寿命目。钢构造房屋由于构造先天缺陷及恶劣使用环境引起构造缺陷和损伤，设计原则使用规定变化，都将导致原构造可靠性变化，有时通过检测加固后才干保证功能正常使用及保证功能变化顺利进行。钢构造损伤检测重要涉及如下几种方面：
3.1.1 几何量检测
裂缝检测涉及裂缝浮现部位(分布)、裂缝走向、裂缝长度和宽度。观测裂缝分布和走向，可绘制裂缝分布图。裂缝宽度检测重要用10倍～20倍读数放大镜、裂缝对比卡及塞尺等工具。裂缝长度可用钢尺测量，裂缝深度可用极薄钢片插入裂缝，粗略地测量，也可沿裂缝方向取芯或超声仪检测。判断裂缝与否发展可用粘贴石膏法，将厚10 mm左右，宽约50 mm～80 mm石膏饼牢固地粘贴在裂缝处，观测石膏与否裂开；也可以在裂缝两侧粘贴几对手持式应变仪头子，用手持式应变仪量测变形与否发展。
3.1.2 构造变形检测
测量构造或构件变形惯用仪器有水准仪、经纬仪、锤球、钢卷尺、棉线等常规仪器以及激光测位移计、红外线测距仪、全站仪等。构造变形有许多类型，如梁、屋架挠度，屋架倾斜，柱子侧移等需要依照测试对象采用不同办法和仪器。测量小跨度梁、屋架挠度时，可用拉铁丝简朴办法，也可选用基准点用水准仪测量。屋架倾斜变位测量，普通在屋架中部拉杆处，从上弦固定吊锤到下弦处，量测其倾斜值，并记录倾斜方向。
3.1.3 构造材料性能检测
对钢材性能检测重要是指裂纹、孔洞、夹渣等。对焊缝重要是指夹渣、气泡、咬边、烧穿、漏焊、未焊透以及焊脚尺寸局限性等；对铆钉或螺栓重要是指漏铆、漏检、错位、错排及掉头。检测办法重要是外观检查、x射线、超声波探伤、磁粉探伤办法和渗入探伤办法检查。超声法用于金属材料探测规定频率高，功率不必太大，这样测试敏捷度高，测试精度好。超声波探伤普通采用纵波探伤和横波探伤(重要用于焊缝探伤)两种办法。超声波对钢构造检测，规定测点平整光滑。
3.2 基于小波变换构造损伤检测办法
小波变换时近20近年来发展起来一种新强大信号时频分析办法。小波分析办法是一种窗口大小固定但其形状可变化时频局部化分析办法。在低频某些具备较高频率辨别率和较低时间辨别率，在高频某些具备较高时间辨别率和较低频率辨别率，被誉为“数学显微镜”。正式这种特性，使它具备对信号自适应性，因而越来越广泛地被运用于实际功臣。
小波变换思想来源于伸缩与平移办法。小波分析办法提出，最早源于19Haar提出正交基（这是一组非正则基）。小波分析用于构造损伤辨认，具备天然优势：一方面，实际工程中构造实测信号不可避免地混有噪声和干扰，小波变换可以同步在时域和频域对信号进行分析，区别信号中有效成分和噪声干扰成分，实现信号消噪，完毕信号预解决；另一方面，运用小波良好时频辨别能力以及带通滤波性质可以使系统自动解耦，然后再从脉冲响应函数小波变换出发辨认模态参数。
3.2.1 小波变换基本理论
小波（wavelet），即社区域波，是一种特殊有限长度、平均值为0波形。如果函数满足

则称为一基本小波或母小波，式中是傅里叶变换。通过平移和伸缩可以得到一族小波基。

这里为尺度因子，为平移因子，且， 普通把持续小波中尺度参数和平移因子离散化，取在这里，步长，普通取，因而，对离散小波变换可以写成

离散小波系数变换可表达为

普通取，，则小波为

3.2.2 小波奇异性检测原理
如果一种函数在点不可微，则阐明它在点是奇异（故障信号），现将Lipschitz指数引申到，以度量函数奇异性。
定义1 令，如果存在一种常数，使，

成立，则称在是Lipschitz 。如对和一种与无关常数，使得上式成立，则称在区间是一致Lipschitz 。上界值称为Lipschitz奇异性。
如在点可微，则其Lipschitz指数至少为1，粗略地说，如，则上式可以改写为
，当时，不等式左边事实上就是在点一阶导数，取，则上式成立。
如在点不持续但在邻域有界，则其Lipschitz指数为0。当时，上式成为,左面最多等于在点跃度，取等于或不不大于跃度，则式成立。还可以将Lipschitz指数推广到负数状况，并可以清晰地看出，Lipschitz指数的确能在更普通意义下定量地描述函数奇异性。需注意，采用某种小波计算出来Lipschitz指数越趋近于零，那么该小波对检测奇异信号越具备良好效果。
3.3 基于柔度构造损伤检测办法
对于一种构造系统来说，只要系统运营状态发生了变化，就必然影响到与之互相联系各个物理参量，损伤与各物理参量之间关系强弱不同，只有那些与损伤关系紧密即对损伤敏感物理参量才干被用于进行构造损伤检测。将这些对损伤敏感物理参量叫做敏感参数，构造损伤检测核心就是找到与损伤敏感参数，柔度曲率幅值突变系数法就是对钢构造损伤敏感一种损伤诊断办法。下面简介其基本原理。
由模态分析可知，构造刚度矩阵和构造柔度矩阵可以用模态参数表达为

式中，为构造刚度矩阵；为构造柔度矩阵；为构造质量矩阵；为质量归一振型向量。由式(1)和(2)可以看出，模态参数对刚度矩阵贡献与自振频率平方成正比，因而，用实验模态参数较为精准预计构造刚度矩阵，必要获得较高阶模态参数。相反，模态参数对柔度矩阵贡献与自振频率平方成反比，模态实验中只需获得较低阶模态参数，就可以较好得到构造柔度矩阵。
损伤构造柔度矩阵为

从数学上来看，曲率反映了函数随节点变化激烈限度，损伤单元柔度曲率比无损伤单元柔度曲率大。因而，柔度曲率较柔度差值更能反映构造损伤位置。由有限元中心差分法可以得到构造损伤先后柔度曲率分别为

式中，为相邻两计算点间距离。
依照式(4)、(5)就可以求出构造损伤先后柔度曲率，比较损伤先后柔度曲率就可以得到构造柔度曲率差值，即

构造柔度差值曲率是基于柔度曲率产生，构造发生损伤先后柔度矩阵分别为和，那么，柔度矩阵变化量为

柔度差值曲率表达为

在已知损伤构造柔度曲率基本上，为了进一步明确柔度曲率和构造损伤之间关系，可以导出柔度曲率幅值突变系数，该系数表达为

式中，为柔度曲率幅值突变系数；，分别为损伤点和相应柔度曲率值。
3.4 基于神经网络构造损伤检测办法
神经网络应用于构造损伤检测中取，是近几十年来十分活跃应用领域之一。总来说，神经网络之因此可以成功地应用于构造损伤检测领域，重要基于如下两个方面因素：
（1）神经网络对先验知识需求宽松，具备自学习、自适应、联想、记忆、和模式匹配能力。训练过神经网络能存储关于过程知识，能直接从定量历史损伤信息中学习。可以依照对象正常历史数据训练网络，然后将此信息与当前测量数据进行模式匹配与比较，从而拟定损伤状态。
（2）神经网络具备滤除噪声和在有噪声状况下得出对的结论能力。训练好神经网络能在有噪声环境中有效地工作，实时性、鲁棒性强。这种滤除噪声能力使得神经网络特别适合于在线损伤辨认和健康检测。
当前，基于神经网络损伤辨认办法已经研究得越来越进一步。在损伤辨认中采用神经网络办法有两种途径，一种是直接运用神经网络完毕损伤模式分类和损伤状态预计；另一种是将神经网络与其她损伤辨认办法相结合，神经网络作为整个损伤辨认系统中某个子系统完毕所需特殊功能。
神经网络用于构造损伤辨认基本思想是：神经网络用于损伤辨认重要是运用神经网络模式辨认功能，而模式辨认就是将理论分析得到损伤模式特性库与实测模式进行匹配。应用人工神经网络技术进行构造损伤辨认普通过程为：
（1）选定一种网络模型，并选取对构造损伤敏感参数作为网络输入向量，构造损伤状态作为输出。对构造进行正问题分析，获得构造不同损伤状态下动力特性，据此构造神经网络学习样本，建立损伤分类样本集。
（2）将学习样本送入神经网络进行训练，建立输入参数与构造损伤状态之间映射关系，得到用于构造损伤辨认神经网络。
（3）对损伤辨认目的构造进行测试，获得构造动力特性参数，并按照输入参数详细状况进行解决，输入神经网络进行损伤辨认，得到构造实际损伤状态信息。
3.5 其他构造损伤检测办法
除上述几种构造损伤检测办法外，应用较多诊断办法尚有基于固有频率变化损伤检测、基于振型变化损伤检测、基于振型曲率变化损伤检测、基于残存力向量损伤检测、基于压电阻抗损伤检测等等，在此就不一一赘述。
4 总结
由于设计、施工、管理、环境腐蚀、自然灾害等因素，构造将不可避免地发生老化、破损、裂缝等现象，这就规定构造健康监测与安全评价系统能及时发现损伤并作出预警。本文着重对钢构造损伤机理及损伤检测理论、办法进行了研究，重要简介了基于小波变换构造损伤检测办法、基于柔度构造损伤检测办法、基于神经网络构造损伤检测办法等三种损伤检测办法，对国内外损伤辨认办法现状做了简朴评述。

参照文献
[1]朱宏平.构造损伤检测智能办法[M].北京:人民交通出版社,.
[2]袁颖,周爱红.构造损伤辨认理论及其应用[M].北京:中华人民共和国大地出版社,.
[3]李爱群丁幼亮.工程构造损伤预警理论及其应用[M].北京:科学出版社,.
[4]张悦,杜守军,张丽梅.小波奇异性在钢构造损伤检测中应用[J].河北科技大学学报,,31(4):151-157.
[5]孙荣玲,韩应军.钢构造损伤检测与加固[J].山西建筑,,33(8):85-86.
[6]武永彩,刘浩.基于神经网络平面钢桁架构造损伤辨认研究[J].国外建材科技,,28:85-88.
[7]张丽梅,杜守军.基于柔度钢桁架损伤辨认办法[J].振动工程学报,,17(8).
[8]张丽梅,陈务军,杜守军.钢桁架构造损伤检测柔度曲率幅值突变系数法[J].东南大学学报,,35(7):134-138.
[9]Kijewski T，Kareem A. Wavelet transform for system identification in civil engineering. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,,18(5):339-55.
[10]HOU Z，NOORI，AMAND R S. Wavelet—based approach for structural damage detection [J]. J Engrg Mech，，126(7):677—683.
[11]Doebling Scott W，Farrrar Charles R，Prime Miehael B. A Summary Review of Vibration- based Damage Identification Methods[J]. Shock and Vibration Digest，1998:30(2).
[12]Torrnce C，Compo G P. A practical guide to wavelet analysis. Bulletin of the American Meteorological Society，1998，79(1):61-78.