浅议土木结构损伤及其诊断方法

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1、浅议土木结构损伤及其诊断方法摘要：建筑结构在使用过程屮，微观层面上随着时间推移不断变化的，逐渐出现材料强度和结构刚度的力学性能降低在宏观层面上出现结构的裂缝积累、腐蚀和变形等损伤。土木工程结构的损伤诊断在这个背景下慢慢得到重视，成为研究热点。本文介绍了现阶段应用比较普遍的结构损伤诊断方法，阐述了结构损伤诊断方法的特点，并比较分析其优缺点。关键词：土木结构；损伤；诊断中图分类号：S969.1文献标识码：A0绪论目前，土木结构屮直接关于结构设计的研究和应用早已趋于成熟，而实际工程中在使用和管理方面的研究却比较少，尤其是结构损伤，一般就需要判

2、断结构的状态，才能对结构损伤的程度有更直接的了解。现在，结构损伤诊断方法的理论研究尚处于初级阶段，还不够成熟。以损伤力学为例，在实验室中以较小尺度的构件为主要的研究对象，而真实结构无论在规模还是复朵程度上都远大于实验室情况，所以难以直接应用于实际工程。结构损伤诊断是典型的使用阶段问题，其特点是多损伤分布，并且集中在结构空间体系，损伤成因和程度，与其症状之间存在着复杂关系，求解因素的不确定性、随机性、模糊性、未确知性都需要经验判断。现代结构工程的发展，应该考虑包括设计、施工、维修的全过程，而非单纯考虑正常工作。实际上，不仅要设计与施工的合

3、理性，更要研究结构性能和结构损伤诊断技术的变化，开展在整个服役期间的相关研究。1结构损伤诊断定义结构损伤，其定义为结构的原有形态收到破坏之后，损伤使得结构的物理状态空间表现为柔度加大和刚度减小，模态状态空间表现为周期加长，所以频率缩短。所以结构损伤的主要诊断思路，就是结构损伤会发牛结构刚度、阻尼和内力的变化，在做出适当的变化估计之后，就能给结构损伤提供量化评估的方法。损伤的诊断分为几个方面：(1)损伤位置确定;(2)结构损伤的发生预估；(3)剩余使用时间的评估与维护方法；(4)损伤程度判定。2结构损伤诊断方法2.1传统诊断方法传统诊断方

4、法有超声波、声发射和x射线的无损检测、外观检查还冇抽样调查，这些都是用于局部缺陷以及材料特性的测试，在做测试的时候需要事先知道结构损伤的大致部分,并可人为接近，否则难以进行。检测出来的结果依赖于检查者的经验，难以定量地整体把握。2.2静力试验方法静力试验方法是检测方法中比较稳妥和固定的方法，得到了较普遍的应用。是对结构施加静力荷载，将实测结果带入之前建立的静力平衡方程,可算得如结构刚度、结构位移、弹性模量、惯性矩等静力参数，对上述的残差分析可以在单元的层面上进行损伤的识别。2.3动力学损伤诊断方法动力学损伤诊断方法依据有无结构模型的情况

5、，分为有模型的诊断方法和无模型的诊断方法，方法是根据结构的动力特性和物理参数存在的关系，将固有频率、振型和阻尼比，以及刚度、质量和材料的木构关系一一对应为基本原理。因为结构的损伤必然产生结构的物理和动力特性参数的变动，所以可以通过动力测试來得到动力参数变动的情况，从而判定结构的损伤。2.3.1无模型诊断方法无模型的诊断方法直接从结构的振动响应时程、频谱或者时频分析中得到特征量，而无需对结构模型本身的机构属性进行提取。无模型的诊断方法冇三种主要分类，分别为：时域法、时频法和频域法。时域法：时域方法主要有卡尔曼滤波法和口回归滑动平均模型法。

6、利用奇异值分解技术在加速度时域信息中构造残差量，求解定立的方程组，可以验证无模型诊断方法的时域方法的有效性。时频法：原有的以傅立叶变换为主的信号分解方法用新的信号分解方法代替之，如小波变换推导了多尺度结构动力特性方程，通过计算机的数值模拟，增加检测结果的准确性和可靠性。频域法：利用频响函数构造损伤诊断指标，如用波形识别指标、功率模态概念、功率密度的均方根指标等，对线性材料定位早起损伤。2.3.2有模型诊断方法有模型的诊断方法在结构工程领域的损伤诊断中应用的最多，该方法利用结构动力特征的变化对结构进行损伤诊断，是必须基于结构模型本身的。常

7、用的有模型诊断方法为：冇模型的无反演损伤指标定位方法该方法是直接由试验模型分析得到的组合变换或者模型参数形成一个损伤识别指标，基于位移振型、振型曲率、固有频率、模态应变能、应变模态、柔度矩阵、残余力向量等动力参数，利用损伤前后的参数变化來判断损伤情况，如损伤的位置、程度等。它必须满足以下条件：损伤参数为局部区间的量值，结构损伤位置为变量，而损伤位置的敏感度为它的单调函数；在损伤位置有明显的峰值效应；有明显的位置坐标等。位移振型COMAC用來衡量每个自由度上振型的相互关系，MAC则是用來衡量模态间振型的各种关系的，所以改进的模态置信判据C

8、OMAC就是根据这些位移振型提出來的。振型曲率用振型曲率的前后变化和与结构构件的关系可以进行结构损伤的诊断。梁结构杆件：V二M/EL,梁截面对应的弯矩、曲率、弯曲刚度的变化都可能引起曲率变动，因此损伤前后弯