土木工程结构健康监测和损伤诊断探究

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1、土木工程结构健康监测和损伤诊断探究摘要：由于工程材料的耐久性和建筑结构的稳定性等原因，土木工程结构需耍正确评价结构的可靠等级，这就耍求完善的健康监测及损伤诊断技术。下文先介绍结构健康检测和损伤诊断的基本内容和方法，最后探究健康监测技术发展的应用和展望。关键词：土木工程；结构检测中图分类号：S969.1文献标识码：A文章编号：引言：土木工程的施工质量和运行情况对人民的生命安全有着重大的影响。特别是重大土木工程结构，如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等,在遭受地震、洪水、爆炸等自然或人为灾害时的安全

2、问题，与人民的生命财产息息相关。因此，对结构性能进行监测和诊断，及时地发现结构的损伤，对可能出现的灾害进行预测，评估其安全性已经成为未來工程的必然要求，也是土木工程学科发展的一个重要领域。1•结构健康监测的概述1.1结构的健康监测结构的健康监测指利用现场的无损伤的监测方式获得结构内部信息，通过包括对结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的H的。健康监测的一个H标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤，这是个实时在线监测过程。结构的长期健康监测是一种在线监测技术。1.2健康诊断健

3、康诊断是指结构在受到自然的（如地震，强风等）、人为的破坏，或者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标，检查其是否受到损伤,如果受到损伤，损伤位置、程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等。1・3安全性评估安全性评估是指通过各种可能的、结构允许的测试手段，测试其当前的工作状态，并与其临界失效状态进行比较，评价其安全等级。对于不同的结构，其重要程度不同，安全等级也应该有所差别。安全性评估与可靠性不同，可靠性为一种概率，为一种可能性；而安全性评估旨在给出确定的安全等级。2•健康监测系统的组成部分健康监测系统

4、应包括下列儿部分：（1）传感系统：用于将待测物理量转变为电信号；（2）数据采集和处理系统：一般安装于待测结构中，釆集传感系统的数据并进行初步处理；（3）通讯系统：将采集并处理过的数据传输到监控屮心；（4）监控中心和报警设备：利用具备诊断功能的软硕件对接收到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构健康状况做出评估,如发现异常，发出报警信息。3•损伤检测论述结构健康监测的关键问题是监测系统的实现和损伤位置、程度的确定，这是结构健康监测与诊断的核心，也是难点。3.1局部检测方法局部NDE技术主耍

5、包括目测法、染色法、发射光谱法、回弹法、声发射法、渗漏试验法、射线法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰动法、涡流法等等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等，实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。以下介绍几种常用的NDE技术。3.1.1声发射法声发射法能对活动性缺陷进行动态监测，采用声发射探头将发射源发射的弹性波转换为电信号，经放大处理得到特征参数，从而推测材料内部发射源（即缺陷）的位置。3.1・2超声波检测技术以脉冲回波法为主的超声波检测技术是利用其遇

6、到相界介质能够反射的性质进行检测，具有良好的指向性，在不同的材料中衰减性不同，检测灵敏度高、成本低、效率快。3.1.3射线检测射线检测指用X射线和直线加速器对结构缺陷情况进行检测，可检测结构内部缺陷的位置和立体形状，用来判断结构是否可用或为维修提供参考。3.2整体检测方法健康监测作为一种实时、在线、连续的监测，整体检测法显得尤为重要，它大致可以分为动力指纹分析法、模型修正与系统识别法、神经网络法、遗传算法和小波分析法。下面简单介绍前三种检测方法。3.2.1动力指纹分析法这种方法的基木思想是寻找与结构

7、特性有关的“指纹”变化。结构一口发生损伤，其结构参数，如刚度、质量、阻尼等会发生改变，从而导致相应的动力指纹的变化。这些动力指纹的变化可以看作结构损伤发生的标志，借以诊断结构的损伤。常用的动力指纹有:频率、振型、振型曲率、应变模态、柔度、功率谱、频响函数、模态确信准则(MAC)和处标模态确信准则(COMAC)等。大量的模型和实际结构试验表明，结构损伤导致的固有频率变化很小，而振型(尤其是高阶振型)虽然对局部刚度变化比较敏感，但精确量测较为困难oMAC和COMAC等依赖于振型的动力指纹同样如此。振型曲

8、率、应变模态则因传统的低幅振动测试变化量量级过小，难以起到冇效的判别作用。因此，这类方法的应用有待于寻找新的动力指纹。3.2.2模型修正法与系统识别法这种方法的基本思想是利用动力试验数据(通常为模态参数或加速度时程记录、频响函数等)，通过条件优化约束，來不断修止模型中的刚度分布，通过被检测结构中任意观测到的局部刚度下降判定损伤的位置和程度。这种方法在划分和处理子结构上具有很多优点。由于模型误差、测量噪声以及土木工程结构可测得的动力特征对局部刚度变化不敏感等因素的存在，