土木工程结构的性能损伤识别分析

【摘要】土木工程的结构性能和损伤识别直接关系着土木工程自身的稳定性和安全性，因此提高土木工程本身的结构性能是目前土木工程施工人员的工作重点。但是事实上我国目前在土木工程的性能检测系统以及损伤识别机制上还不是很完善，需要相关部门在实际工作中做出努力和进行完善。

【关键词】土木工程结构;性能监测系统;损伤识别方法

引言

近些年来，我国国内外的学者通过建立数学模型以及对数值进行模拟等对结构性能进行相关的研究，并取得了实质性的进展。同时，基于结构特性，如何提高结构损伤特性以及可靠性，使其为结构损伤以及修葺做出正确判断是接下来结构工程的工作重点。要想解决这一问题应该将工作重点放在如何对受损结构做出准确的识别和判断，并对有可能出现的损伤特性进行分析，对损伤结构的可靠度进行评估。社会的不断进步以及计算机信息技术的融入，使得土木工程的性能检测以及损伤机制上暴露出越来越多的问题，笔者接下来将对这些问题进行阐述和说明。

1.土木工程结构的损伤识别方法

（1）局部检测方法常见的局部检测方法有目测法以及染色法等，这些技术和方法在应用之前首先需要对结构损伤处的区域进行大致的了解，以及确保机制能够准确达到损伤位置，对一些大型复杂的结构不宜使用此方法。（2）整体检测方法整体检测方法是指采用损伤前后的结构参数来对特征进行调节和判断，通常将整体性检测方法分成以下几类：1）动力指纹法动力指纹方法是指通过动力测试来获得结构特性的定向信息以及对动力做出响应，在这当中衍生出来的物理量叫动力指纹。通过动力指纹法可以对改变量进行及时的分析，进而实现对评估结构分析。在工程结构产生损伤时，会引起响应机构发生响应的变化，因此可以通过指纹动力来反应结构损伤的变化。换句换说，这些动力指纹是结构损伤的直观表示，可以通过动力指纹的变化来对结构损伤进行诊断。2）模型修正方法这一方法依据的原理是通过动力试验数据来对条件进行优化，以及对结构模型的刚度进行整理和排列，通过收集结构刚度的数据进行对接受损伤部位的准确定位。常用此方法来处理子结构，具有较广的应用范围。3）神经网络法这种方法是通过模拟人脑神经来实现的，是通过单元中互相连接的结构单元来依据连接权限获取信息的一种连接方式。此方法具有较高的容错率，因此常常使用在计算、记忆以及智能识别的系统中，具有较好的应用前景。4）遗传算法这种方法是根据随机产生的一组解来随机展开搜索，此方法主要是借助染色体的适用性来对其进行评价，随机选取种群中任何一个独立个体展开求解，即为“染色体”。此方法可以实现对染色体的适应性进行筛选，其中适应性强的染色体能够进入到下一代中，通过迭代的交叉、结合，染色体实现不断的优化。因此将这一方法应用到结构的损伤识别中，可以在已知信息的条件下，迅速对损伤的位置进行准确判断，在判断的过程中即使出现部分信息丢失，也不会对最终的求解产生影响。

2.国内外损伤识别与诊断方法现状

结构损伤识别机制诞生之初是在机械领域。在最初之时，主要是通过连杆以及齿轮等大型机械来认识结构的故障并进行判断。在20世纪60年代，诞生了无损检测技术，到了80年代后期，计算机应用技术以及信息技术的发展大大促进了结构无损技术的发展，特别是在土木工程中。但是由于早期建筑物出现的损伤率较低，可能危害程度没有工程项目那么高，因此损伤技术的发展相对缓慢，而且大多数还属于可靠性评估。进入20世纪以来，无损技术获得了较大的发展，并制定了相应的规范标准来约束其发展，综合评价的提出使得结构损伤机制朝着更加智能化的方向发展。我国的土木工程损伤识别技术起步较晚，主要在20世纪70年代之后才开始逐步结合可靠性评估和安全鉴定工作进行发展。3.土木结构损伤识别中存在的主要问题（1）结构模型出现了误差目前，人们对土木工程在结构损伤的相关预测都是在一定的环境条件下实现的。在规定的条件下，将客观的系统抽象为具体的具有一定模型参数和形式的数学模型。但是在进行模型化的过程中，特别是在一些大型的土木工程系统中，自身的复杂性提高了处理过程的随机性，也就提高了结构过程中的误差率。因此在处理过程中必须要引入一些结构链接以及边界条件进行假设和设定，因此结构模型不能准确反映出结构内部存在的一些问题，特别是一些细节问题，这就导致结构模型自身出现较多的不确定性。随着新理论和新模型的提出，土木工程建设过程中需要不断提升性能，提高自身的精确度，这也是对结构识别方法进行改进的主要目的。在土木工程结构模型建立的过程中由于存在误差，如果不及时对误差进行准确分析，可能会导致出现结构损伤方面的问题，因此如何处理好结构模型出现的误差是土木工程结构损伤识别接下来的工作重心。（2）实测数据的不完整性在土木损伤识别中存在的主要问题也是实测数据的不完整性。目前，很多的土木结构损伤的识别方法在设定结构模型上具有相同的自由度。然而由于条件的限制，可能会存在数据的结构不完整性。实测数据的不完整会使结构传感器只是安装在一些显眼的位置上，传感器在一些特殊部位上较为稀疏。同时由于实测数据的不完整可能导致结构损伤的数据不完整。因此，如何解决实测数据的不完整度是解决结构损伤识别的主要问题。（3）实测数据的不精确性在实现数据的采集和处理过程中，可能会因为电子信息的随机处理误差导致传感器在信息的传递上存在一定的质量问题，导致信号的处理和识别的最终结果可能不准确。这些都可以认为是实际测试数据不精确导致的。因此在对土木结构进行损伤识别的过程中，需要进一步提高检测数据的精确度，避免不必要的误差。为了实现实测自由度和模型自由度尽可能匹配，可以采取模型缩聚和模态扩展的方法来尽可能地减少误差。另外，结构特性发生改变也可能导致结构改变，但是这一因果关系常常被数据误差掩盖，人们往往错误地以为是数据误差导致的结构改变，而忽视了结构特性这一因素。因此检测系统也就无法顺利地完成识别。但是在土木结构进行损伤识别的过程中，有些因素是不能避免的，这是无法顺利消除损伤的原因。因此，这些因素也是制约结构损伤识别技术进一步发展的主要原因。结束语综上所述，相关部门和相关工作人员在实际工作过程中需要不断加强对土木工程结构性能检测系统的构建以及加强对损伤识别方法的研究，从而达到提高土木工程结构性的目的，进而有效提高结构性能检测的准确度和精准度，提高土木工程的安全性，为人民财产的安全做好保障。

参考文献：

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作者:李坤 单位:四川省建筑科学研究院