黃珊珊

摘 要：隱蔽工程結(jié)構(gòu)是土木工程的重要組成部分，該部分的結(jié)構(gòu)損傷不易被識(shí)別，為了對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估，必須精確診斷隱蔽工程結(jié)構(gòu)損傷。文章結(jié)合振動(dòng)特性的基本原理，提出了兩種以模型為基礎(chǔ)的損傷識(shí)別方法。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)特性；隱蔽工程；結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別

隨著城市化建設(shè)進(jìn)度的加快，工程結(jié)構(gòu)逐漸向大型化和智能化發(fā)展，建筑工程在使用的過(guò)程中，受到外部因素的影響，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。針對(duì)隱蔽工程而言，材料也會(huì)隨著時(shí)間的推移而老化，該結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別尤為重要。為了建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，必須結(jié)合實(shí)際工程的特點(diǎn)，對(duì)隱蔽工程結(jié)構(gòu)的損傷問(wèn)題進(jìn)行探討，將重點(diǎn)工作放在結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別方面，以避免重大事故的發(fā)生?；谡駝?dòng)特性的損傷識(shí)別方法在隱蔽工程中應(yīng)用十分廣泛，該技術(shù)成為目前建筑工程中重要的研究課題。

1 基于振動(dòng)特性的損傷識(shí)別

隱蔽工程的損傷識(shí)別技術(shù)以振動(dòng)特性為基礎(chǔ)，以結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)和實(shí)際物理特性構(gòu)建函數(shù)，其中就結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)包含固有頻率、模態(tài)振型等，實(shí)際結(jié)構(gòu)物理特性包含結(jié)構(gòu)體質(zhì)量、阻尼和剛度等，因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的改變主要受到結(jié)構(gòu)物理特性的影響。以振動(dòng)特性為基礎(chǔ)，對(duì)隱蔽工程進(jìn)行損傷識(shí)別，屬于一種典型的結(jié)構(gòu)整體檢測(cè)方法，應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)中，具有整體檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用環(huán)境激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)針對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。

針對(duì)隱蔽工程的損傷識(shí)別而言，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)估過(guò)程中重點(diǎn)做好四方面工作。第一，判斷整體結(jié)構(gòu)是否存在損傷問(wèn)題；第二，在前一步驟的基礎(chǔ)上確定出損傷的位置；第三，判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度，對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)；第四，結(jié)合判斷結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的使用壽命，構(gòu)建評(píng)價(jià)體系。

損傷識(shí)別方法應(yīng)用的過(guò)程中，必須結(jié)合相應(yīng)的模型，對(duì)隱蔽工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別。

2 隱蔽工程的損傷識(shí)別方法

應(yīng)用結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的過(guò)程中，需要重點(diǎn)結(jié)給定的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，確定出損傷的原因、損傷位置和損傷程度，該方法應(yīng)用的同時(shí)必須先選擇正確的損傷標(biāo)識(shí)量。

損傷識(shí)別過(guò)程中確定的物理量可以為全局量，但是一般將局域量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷定位，應(yīng)用的局域量滿足兩個(gè)條件，即對(duì)結(jié)構(gòu)的局部損傷十分敏感，同時(shí)必須是位置坐標(biāo)的單調(diào)函數(shù)。以振動(dòng)特性為基礎(chǔ)，應(yīng)用損傷識(shí)別方法主要是要建立完善的計(jì)算模型和估計(jì)出振動(dòng)測(cè)試參數(shù)，必須考慮到最終的診斷精度與選擇的信息特征量有著直接的關(guān)系。由于損傷問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同作用，可以將結(jié)構(gòu)損傷分為線性損傷和非線性損傷。如果隱蔽工程受到損傷后保持一定的特性，將該類損傷定義為線性損傷。對(duì)于初始線彈性結(jié)構(gòu)在受到損傷后將表現(xiàn)出一定的非線性特點(diǎn)的損傷，則定義為非線性損傷。實(shí)際上結(jié)構(gòu)幾何和材料特殊性會(huì)對(duì)模態(tài)參數(shù)造成一定影響，在工程結(jié)構(gòu)相應(yīng)分析過(guò)程中主要應(yīng)用線性方程進(jìn)行模擬?，F(xiàn)階段的損傷判斷研究主要集中在線性損傷的識(shí)別和檢測(cè)方面，針對(duì)線性方法的研究，需要構(gòu)建科學(xué)的損傷識(shí)別模型。

3 以模型為基礎(chǔ)的損傷識(shí)別

基于模型識(shí)別方法，判斷隱蔽工程的損傷問(wèn)題，主要應(yīng)用模式匹配法和模型修正法，其中模式匹配法的優(yōu)勢(shì)是可以應(yīng)用模型結(jié)構(gòu)的字符串進(jìn)行基本運(yùn)算，借助實(shí)際結(jié)構(gòu)特征對(duì)破損方案現(xiàn)實(shí)結(jié)果和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最接近的破損方案即為破損狀態(tài)；模型修正法的優(yōu)勢(shì)是可以精確地判斷結(jié)構(gòu)損傷，結(jié)合已有的測(cè)量結(jié)果對(duì)工程結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼等進(jìn)行反向識(shí)別。

3.1 模式匹配法

應(yīng)用模式匹配法的過(guò)程中，需要做好四個(gè)方面的工作。第一，明確整體方案；第二，計(jì)算損傷方案中的指示值；第三，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方案后的指示值；第四，將損傷前后的指示值進(jìn)行對(duì)比，最吻合的一組即為可能損傷。在獲取損傷方案的過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際工程結(jié)構(gòu)，測(cè)出不同損傷或者故障情況下對(duì)應(yīng)的頻率特征，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的故障診斷，另外也可以通過(guò)有限元模型對(duì)不同損傷情況下對(duì)應(yīng)的頻率特征進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)隱蔽工程結(jié)構(gòu)，一般結(jié)合有限元的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)要求模型具有較高的精度。

模式匹配法的重點(diǎn)是要獲取損傷方案，如果實(shí)際結(jié)構(gòu)的損傷情況較為單一，可以對(duì)工程進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，由于不能對(duì)損傷位置和損傷程度進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，也很難確定出單一損傷方案。針對(duì)土木工程的隱蔽工程而言，只能通過(guò)計(jì)算的方法獲得破損方案，可能出現(xiàn)計(jì)算模型誤差，識(shí)別精度將會(huì)降低，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)有一定的困難。

3.2 模型修正法

為了建立準(zhǔn)確的有限元模型，可以應(yīng)用模型修正法。由于隱蔽工程界工程的原有模型參數(shù)和實(shí)際結(jié)構(gòu)之間可能存在一定的誤差，需要就結(jié)合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果修正原有模型參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確的研究。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷之后，整體結(jié)構(gòu)中沒(méi)有損傷的模型將不能應(yīng)用已有的測(cè)量結(jié)果，在模型修正的過(guò)程中可以通過(guò)對(duì)不同準(zhǔn)確部分的判斷，辨別出工程損傷。模型修正法是一種數(shù)學(xué)反演問(wèn)題，現(xiàn)有的測(cè)量模態(tài)較少，未知數(shù)的個(gè)數(shù)往往多于方程數(shù)，求解的答案為不確定的，只能在分析的過(guò)程中加入約束方程。常用的約束方程有矩陣正定性條件，可以應(yīng)用矩陣優(yōu)化修正法進(jìn)行求解。

矩陣優(yōu)化修正法將系統(tǒng)的總體矩陣和子結(jié)構(gòu)的總體矩陣作為修正對(duì)象開(kāi)展結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣的修正，矩陣優(yōu)化修正法計(jì)算精度較高，操作方便?，F(xiàn)以剛度矩陣修正為例，做出如下分析：

先構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：

其中λ為模態(tài)頻率，Φ表示振型，

修正之后的剛度矩陣和初始矩陣之間的誤差必須最小，滿足相應(yīng)的特征方程，可以得出修正后的剛度矩陣。

矩陣優(yōu)化修正法可以直接對(duì)方程進(jìn)行求解，具體做法可以結(jié)合拉格朗日乘子法和最小范數(shù)修正法等。靈敏度法應(yīng)用的過(guò)程中需要應(yīng)用泰勒級(jí)數(shù)將目標(biāo)函數(shù)展開(kāi)，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法構(gòu)建靈敏度矩陣。其中靈敏度方程可以寫成迭代形式，之后應(yīng)用迭代法進(jìn)行求解，另外也可以將靈敏度方程表述為線性方程。靈敏度處理方法可以準(zhǔn)確地判斷出結(jié)構(gòu)單元的損傷程度。

4 結(jié)語(yǔ)

以振動(dòng)特性為基礎(chǔ)，對(duì)隱蔽工程損傷問(wèn)題的分析過(guò)程十分復(fù)雜，通過(guò)建立完善的模型，應(yīng)用可靠的操作識(shí)別方法對(duì)研究過(guò)程進(jìn)行完善，提高操作識(shí)別的便利性和科學(xué)性，保證識(shí)別結(jié)果更加準(zhǔn)確，滿足實(shí)際工程需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李雪艷，劉濟(jì)科.基于振動(dòng)特性靈敏度分析的梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，31（z1）：119.

[2] 劉濟(jì)科，湯凱.基于振動(dòng)特性的損傷識(shí)別方法的研究進(jìn)展[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，43（06）：57.

[3] 張佳文.基于振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，14（01）：22.

[4] 王濤.基于振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法與試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)，2014，24（05）：145.