摘要：隨著我國市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展，作為國民經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)的建筑行業(yè)發(fā)展迅速，其中的土木工程安全越來越受關(guān)注。除了通過安全設(shè)計(jì)來預(yù)防土木工程安全事故以外，加強(qiáng)使用中建筑物的土木結(jié)構(gòu)管理，通過土木結(jié)構(gòu)安全鑒定，提早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、振動損傷，并對建筑物及時修復(fù)，增加建筑物的使用安全系數(shù)必定成為未來建筑行業(yè)的趨勢，成為下一個建筑行業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。作為土木工程主要安全因素，加強(qiáng)土木結(jié)構(gòu)的損傷診斷是必要的，本文基于結(jié)構(gòu)損傷、振動損傷及安全診斷等概念，分析了土木工程中，結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法，并探究了目前結(jié)構(gòu)損傷診斷的相關(guān)問題。

關(guān)鍵詞：土木工程；安全鑒定；診斷；結(jié)構(gòu)損傷；振動損傷

在土木工程中，結(jié)構(gòu)損傷依據(jù)檢測技術(shù)能分成局部與整體檢測兩部分，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型能分成無模型與有模型診斷兩類。土木工程在使用當(dāng)中，具有一定使用年限，由于酸雨、地下水、北方冬季結(jié)冰等耐久性因素，或遭遇洪水、地震與臺風(fēng)等災(zāi)害等偶然荷載作用，甚至諸如貫穿裂縫、混凝土澆搗及養(yǎng)護(hù)、建筑材料質(zhì)量參差等諸多不確定因素，建筑物經(jīng)過多年磨損而存在安全隱患，出現(xiàn)質(zhì)量問題，給土木工程帶來不可估量損壞。建國六十年來，許多建筑物已經(jīng)達(dá)到其使用的耐久極限，改革開放三十年也有大量的新型建筑達(dá)到了其生命的“半衰期”，為確保人們生命財(cái)產(chǎn)安全，采用有效診斷措施給予防控是必要的。

1. 結(jié)構(gòu)損傷、振動損傷與安全診斷

在土木工程當(dāng)中，結(jié)構(gòu)損傷所指的是結(jié)構(gòu)材料及其幾何特性出現(xiàn)改變，會給當(dāng)前結(jié)構(gòu)性能與整體系統(tǒng)力學(xué)帶來影響。由土木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛性與穩(wěn)定性上看，土木結(jié)構(gòu)損傷主要包含內(nèi)部缺陷、材料缺陷與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)隱患、結(jié)構(gòu)裂紋、性能下降等。振動損傷所指的是結(jié)構(gòu)因振動引發(fā)的損傷，經(jīng)過各振動信號采集與處理，對結(jié)構(gòu)損傷給予判斷，因振動源存在不確定性，振動測試環(huán)境比較復(fù)雜，具有不可控性，此類損傷診斷較難實(shí)施。安全診斷所指的是通過土木結(jié)構(gòu)損傷狀況的識別，分析結(jié)構(gòu)各性能指標(biāo)，并判斷結(jié)構(gòu)損傷狀況，一旦存在損傷，就應(yīng)對其位置與損傷程度進(jìn)行確定，對土木結(jié)構(gòu)剩余壽命進(jìn)行估計(jì)以判斷其繼續(xù)應(yīng)用性，并研究制定相應(yīng)的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)方案。

2. 結(jié)構(gòu)損傷的診斷方法

1.1. 整體檢測方法

整體檢測方法主要通過建筑物原有力學(xué)模型，通過施加各種假設(shè)荷載或振動作用，分析建筑物的荷載極限，主要適用于有詳細(xì)的工程力學(xué)計(jì)算書建筑物，對于近二十年建成的超高層框架結(jié)構(gòu)或連續(xù)多跨單層層建筑物，最好有靜力學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)力學(xué)分析的計(jì)算機(jī)模型?，F(xiàn)代大型計(jì)算機(jī)工程力學(xué)分析軟件，例如Ansys、Nastran軟件能為建筑物的損傷分析提供良好的輔助。

但因?yàn)闄z測方法對力學(xué)模型的依賴，未必適用于改革開放前甚至各種古代建筑等缺失力學(xué)計(jì)算書的建筑結(jié)構(gòu)損傷分析，部分受到地震、海嘯、或者例如九江大橋撞擊甚至911恐怖襲擊的建筑物則不適用，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)模型和實(shí)際模型條件已不一致。

1.1.1. 系統(tǒng)識別與模型修正法

系統(tǒng)識別與模型修正法主要是應(yīng)用基本的運(yùn)動方程、動力測試資料與有限元模型進(jìn)行優(yōu)化約束，并修正結(jié)構(gòu)模型剛度、質(zhì)量及阻尼分布等，與結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)相接近，經(jīng)過基線模型及修正模型矩陣的比較，能對土木結(jié)構(gòu)損傷給予診斷。Nastran軟件對系統(tǒng)識別與模型修正法的支持度很高，能提供靜力學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)力學(xué)以至熱力學(xué)的模型分析功能。應(yīng)用這種方法在子結(jié)構(gòu)的劃分及處理上優(yōu)勢較多，因測量噪聲、模型誤差與土木結(jié)構(gòu)等在局部剛度變化上不是很敏感，實(shí)際應(yīng)用頗受限制，致使特征方程的求解出現(xiàn)亞定問題，要有效解決模型于數(shù)據(jù)不定性，可應(yīng)用統(tǒng)計(jì)推斷法，像貝葉斯法，根據(jù)邊界條件中的子結(jié)構(gòu)修正，能減少未知數(shù)，同時，運(yùn)用良態(tài)建模與子結(jié)構(gòu)合理劃分等，獲取最優(yōu)信息量。當(dāng)然，貝葉斯法屬于統(tǒng)計(jì)的理論范疇，實(shí)際操作時可以在結(jié)合超聲回彈綜合法等構(gòu)件強(qiáng)度分析方法，可以將重要構(gòu)件實(shí)際強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸入到力學(xué)設(shè)計(jì)模型中，從而論證建筑物現(xiàn)狀剛度和設(shè)計(jì)剛度之差，可以讓結(jié)構(gòu)工程師分析建筑物的損壞情況。

系統(tǒng)識別與模型修正法較為適合正常情況使用下的建筑物安全鑒定使用，即實(shí)際使用狀況與設(shè)計(jì)使用功能相同的建筑物。

1.1.2. 動力指紋識別方法

在土木結(jié)構(gòu)診斷中，動力指紋識別是在結(jié)構(gòu)特性變化下，如結(jié)構(gòu)參數(shù)中的質(zhì)量、剛度及阻尼等出現(xiàn)變化，相應(yīng)動力指紋就會出現(xiàn)變化。動力指紋便能看成結(jié)構(gòu)損傷標(biāo)志，重用動力指紋主要包含振型曲率、頻率、MAC與應(yīng)變模態(tài)等，經(jīng)實(shí)際結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，土木結(jié)構(gòu)損傷中的固有頻率變化比較小，振型的局部剛度變化較為敏感，不過其精準(zhǔn)測量比較困難。如Elkordy等人采取振型方法進(jìn)行五層框架結(jié)構(gòu)的損傷診斷，在不同損傷狀況中，第1-第4層當(dāng)中的第1振型，是依據(jù)第5層當(dāng)中的第1階振型進(jìn)行歸化處理，并對損傷前后的振型變化比，當(dāng)作參數(shù)輸進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)中，還應(yīng)對損傷位置給予檢測，對其損傷程度進(jìn)行測定。

在檢測當(dāng)中，僅應(yīng)用振型方法診斷會受到檢測時建筑物振動影響檢測結(jié)果，具有一定缺陷性，建議采用多次檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.1.3. ANN方法

ANN方法為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，是上世紀(jì)80年代，廣受關(guān)注的人體神經(jīng)原理的模擬方法，有自我學(xué)習(xí)與并行計(jì)算之功能，其容錯性也很強(qiáng)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)算法當(dāng)中的墨水識別，能有效解決傳統(tǒng)模式當(dāng)中的模式損失與高噪音等缺點(diǎn)，已成損傷結(jié)構(gòu)診斷中應(yīng)用最廣泛工具，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷原理是依據(jù)不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)反映。經(jīng)特征提取，選擇損傷敏感參數(shù)當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)輸入的向量，而結(jié)構(gòu)損傷為輸出，構(gòu)建損傷狀態(tài)及輸入?yún)?shù)間的映射關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)含模式分類作用，通過目前結(jié)構(gòu)可直接反映結(jié)構(gòu)損傷狀況。MSC.Marc軟件對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的支持度很高，對比起Nastran，MSC.Marc可以分析的處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析包括：線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動分析、動力響應(yīng)分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。它提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元、連續(xù)單元和特殊單元的單元庫，幾乎每種單元都具有處理大變形幾何非線性，材料非線性和包括接觸在內(nèi)的邊界條件非線性以及組合的高度非線性的超強(qiáng)能力。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷診斷法，并不需要土木結(jié)構(gòu)的動力特點(diǎn)先驗(yàn)知識，含有損傷的診斷非參數(shù)性，非線性的應(yīng)設(shè)立較強(qiáng)，比較適合非線性的模式分類與識別，與模型修正方法相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的適用范圍更為廣泛，不單可以分析整個建筑物，亦可以單獨(dú)核算各種構(gòu)件。

1.2. 局部檢測方法

這種檢測方法被大量用于建筑物中局部受損構(gòu)件的檢測，主要包含染色法、目測法、渦流法、以及前文提及的超聲回彈綜合法與發(fā)射光譜法等，這些檢測方法中的大部分應(yīng)用在某部件焊接缺陷、裂縫位置、受偶然荷載損壞的構(gòu)件、與腐蝕磨損等方面的檢查，在實(shí)際檢測當(dāng)中，多種技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用能對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行評價。

如射線檢測法是用直線加速器與X射線，對土木結(jié)構(gòu)缺陷給予檢測，例如地下連續(xù)墻裂縫檢測，對其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷位置與形狀給予檢測，以判斷結(jié)構(gòu)可用與維修參考。聲發(fā)射法所指的是對活動缺陷給予動態(tài)監(jiān)測，并采取聲發(fā)射探頭對發(fā)射源中發(fā)射彈性波向電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再通過放大處理，獲取特征參數(shù)，以推測材料內(nèi)部的缺陷位置。超聲回彈綜合法根據(jù)實(shí)測聲速值和回彈值綜合推定混凝土強(qiáng)度的方法。本方法采用帶波形顯示器的低頻超聲波檢測儀，并配置頻率為50～100KHZ的換能器，測量混凝土中的超聲波聲速值，以及采用彈擊錘沖擊能量為2.207J的混凝土回彈儀，測量回彈值，直接得出混凝土實(shí)際強(qiáng)度。

通過局部檢測，找出結(jié)構(gòu)損傷點(diǎn)，通過注漿、二次抹面、壁可法或者構(gòu)件破壞重新澆搗，及時補(bǔ)強(qiáng)，提高構(gòu)件耐久性。但因?yàn)榫植繖z測的對象是構(gòu)件，僅能處理諸如貫穿裂縫、混凝土澆搗及養(yǎng)護(hù)、建筑材料質(zhì)量缺陷或偶然荷載破壞的構(gòu)件，當(dāng)處理整體受損，或者改變使用用途、調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)的建筑物，還需要結(jié)合各種整體檢測方法檢測。

1.3. 無模型的診斷方法

在土木結(jié)構(gòu)的損傷診斷中，無模型診斷方法并不需要有關(guān)結(jié)構(gòu)模型的特征量，從土木結(jié)構(gòu)振動的響應(yīng)頻譜、時程與時頻等進(jìn)行特征量提取，實(shí)施結(jié)構(gòu)損傷的診斷。這種診斷方法起初僅應(yīng)用在機(jī)械損傷診斷當(dāng)中，進(jìn)入21世紀(jì)之后，才逐步應(yīng)用在土木結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其診斷方法主要有頻域法、時域法與時頻分析法等三類，其中，頻域法是運(yùn)用頻響函數(shù)對損傷診斷的指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)造，如波形識別指標(biāo)在橋梁結(jié)構(gòu)中的損傷診斷，又如功率譜密度均方根的指標(biāo)在線性結(jié)構(gòu)中的早期損傷定位。時域方法包含卡爾曼濾波法與ARMA模型等，如運(yùn)用加速度的時域信息對殘差量進(jìn)行構(gòu)造，并采取奇異值的分解法，對方程組進(jìn)行求解，以驗(yàn)證方法有效性。而時域分析法是運(yùn)用新信號的分解法，對原有傅里葉變換分解法進(jìn)行替代，現(xiàn)在大多為小波變換，如廖錦翔等人，就運(yùn)用小波變換，對橋梁裂縫的位置進(jìn)行了識別，并實(shí)施數(shù)值模擬，以檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。

1.4. 重建力學(xué)模型法

與無模型的診斷方法的使用環(huán)境相同，目前我國存在大量建國以前留下的古建筑，而因?yàn)榻ㄖ镌O(shè)計(jì)及竣工資料檔案制度建立以前的五十至八十年代建筑物也不在少數(shù)，這些建筑物大多處于年久失修的狀況，而且因?yàn)樵O(shè)計(jì)資料缺失，無法通過整體檢測方法測定其安全狀況。我所工作的海印集團(tuán)曾多次接收這種資料缺失的舊物業(yè)，例如海印廣場項(xiàng)目、海印電器總匯、海印江南糧油城項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目中，我司與設(shè)計(jì)院一道，通過超聲回彈綜合法，測出混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時利用X射線探測主要構(gòu)件的構(gòu)造鋼筋，重建改造部位的力學(xué)模型，降次使用輕度受損的范圍，對中度受損的構(gòu)件及時回頂、拆除、植筋并重新澆搗，收效顯著。重建力學(xué)模型，對重新活化古建筑、近代建筑有重要意義，有待專題研究并形成相關(guān)的行業(yè)規(guī)范。

3. 土木結(jié)構(gòu)中的損傷診斷相關(guān)問題探究

在土木工程當(dāng)中，其結(jié)構(gòu)的損傷診斷是很重要的，直接關(guān)系著土木結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性，損傷診斷法在航天、航空與機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在土木工程，特別是橋梁結(jié)構(gòu)中，其應(yīng)用有效性還需不斷加強(qiáng)，因土木結(jié)構(gòu)的影響因素并不確定，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，診斷方法還存在較多困難，需要不斷深入研究及實(shí)踐，損傷診斷當(dāng)中，對實(shí)際結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)據(jù)需求量大，不過實(shí)際數(shù)據(jù)比較有限與不足，運(yùn)用大量試驗(yàn)對標(biāo)準(zhǔn)樣例與損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，所付出代價較為昂貴，并且費(fèi)時費(fèi)工，損傷結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中，構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，并運(yùn)用數(shù)值仿真實(shí)施相關(guān)研究，其現(xiàn)實(shí)意義更強(qiáng)。

在損傷診斷當(dāng)中，大多診斷指標(biāo)是在航空與機(jī)械等方面發(fā)展來的，土木工程當(dāng)中的結(jié)構(gòu)診斷指標(biāo)，還需要不斷完善，尤其是結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，還應(yīng)加強(qiáng)研究，運(yùn)用更可靠損傷指標(biāo)，讓其適合某結(jié)構(gòu)。對于大型的土木結(jié)構(gòu)，激勵環(huán)境下，難以激發(fā)高階模態(tài)，加強(qiáng)低階模態(tài)的結(jié)構(gòu)損傷診斷，更具有其理論意義與實(shí)踐價值。土木結(jié)構(gòu)中的自身動力與非線性等變異，會對結(jié)構(gòu)損傷診斷造成較多困難，需要進(jìn)一步研究。隨著新材料及新思想的發(fā)展，在土木工程中，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，加強(qiáng)新參數(shù)與性能指標(biāo)的測試，并運(yùn)用新數(shù)學(xué)模型，強(qiáng)化土木結(jié)構(gòu)邊界條件注意，有效擴(kuò)大應(yīng)用范圍，增強(qiáng)擬合程度。

我國的結(jié)構(gòu)損傷的診斷發(fā)展遲于歐美、日本等西方發(fā)達(dá)國家，即使對比香港，我國大陸還是處于萌芽的階段，其主要原因首先是我國目前新建項(xiàng)目之多，導(dǎo)致政府相關(guān)主管部門暫時未能顧及土木結(jié)構(gòu)使用的安全，未能退出相應(yīng)政策支持，這需要政府立定決心，成立分管土木結(jié)構(gòu)使用的安全的部門，仿效香港制定相關(guān)的建筑物周期性診斷的法律法規(guī)；其次，國內(nèi)支持土木工程力學(xué)模型的軟件、各種檢測工具和標(biāo)準(zhǔn)匱乏，即使有更好的檢測方法也會因市場缺乏競爭而導(dǎo)致價格高昂，使用者望而卻步，也是制約結(jié)構(gòu)損傷的診斷的重要因素，許多設(shè)計(jì)院目前還是依賴工程師手稿計(jì)算，而對建筑物的安全鑒定還是使用目測法、染色法等低效率方法，所謂工欲善其事必先利其器，須由國家主管部門牽頭，研究屬于中國的力學(xué)模型軟件，制定安全鑒定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以致國家規(guī)范。只有完善上述兩點(diǎn)，我國結(jié)構(gòu)損傷診斷行業(yè)才能迎頭趕上世界列強(qiáng)。

結(jié)束語：

在建筑工程中，土木工程結(jié)構(gòu)作為其重要構(gòu)成，結(jié)構(gòu)損傷程度直接關(guān)系建筑質(zhì)量及其安全性，加強(qiáng)土木結(jié)構(gòu)的損傷診斷是非常必要的，我國土木結(jié)構(gòu)的損傷診斷已比較系統(tǒng)與深入，不過依然存在一些問題，需要運(yùn)用合理診斷方法，對其損傷進(jìn)行診斷，為土木結(jié)構(gòu)的安全可靠性提供相關(guān)參考依據(jù)，確保建筑工程質(zhì)量的安全性，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]張海芳.關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究[J].中國房地產(chǎn)業(yè)：理論版，2012（9）

[2]姜浩，喬麗.土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷方法的研究進(jìn)展綜述[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（5）

[3]杜瑞龍.關(guān)于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究[J].中國科技財(cái)富，2010（16）

[4]宗周紅，任偉新，阮毅.土木工程結(jié) 構(gòu)損傷診斷研究進(jìn)展[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011（05）