陳儷丹

隨著社會的快速發(fā)展，一些建筑物林立而起，但是隨著時間的推移，這些建筑物可能出現不同程度的結構損傷，建筑物一旦出現結構損傷，將會對人們的生命和財產造成嚴重威脅，因此對土木工程結構損傷進行準確的診斷就顯得尤為重要。本文將主要闡述土木工程結構損傷診斷常用的方法，以及探討損傷診斷未來的研究趨勢。

土木工程結構損傷主要是指土木工程原有形態(tài)被破壞，在物理空間具體表現為剛度降低、柔度增大，在模擬空間具體表現為固有頻率降低。土木工程結構損傷會威脅到人們的人身安全，而土木工程結構損傷診斷方法主要是對結構損傷的狀態(tài)進行評估，從而幫助人們準確掌握土木工程的狀態(tài)。由于社會發(fā)展對土木工程結構損傷診斷的需要越來越高，土木工程結構損傷診斷研究是目前結構工程學科中非?；钴S的研究領域，想必土木工程結構損傷診斷研究在未來有著廣闊的發(fā)展前景。

1土木工程結構損傷診斷常用的方法

1.1基于固有頻率變化的結構損傷診斷方法

基于固有頻率變化的結構損傷診斷方法是一種理想模型法，頻率改變量是這個診斷方法的關鍵，由于固有頻率具有較高的識別精度，并且很容易獲得，因此這個診斷方法應用的比較普遍。這種診斷方法首先要根據理論模型假設結構可能有一組損傷位置的方案，并且計算每個理論方案對應的任意二個頻率變化量之比，然后計算實驗測量的任意二個頻率改變量之比，第三步需要將理論值和實驗值進行比較，找出和實際測量最為接近的值，那么該值對應的損傷方案就是實際結構的損傷狀態(tài)，最終就可以得到實際結構的損傷位置。

1.2基于振型變化的結構損傷診斷方法

基于振型變化的結構損傷診斷方法主要兩種，分別是振型曲率法和振型變化圖形法。土木工程結構如果發(fā)生損傷，那么破壞處的剛度將會降低，曲率將會增大，而振型曲率的變化會隨著曲率的增大而增大，從而根據振型速率的變化就可以確定發(fā)生損傷的位置。振型變化圖形法是以振型相對變化量為參數，振型相對變化量是指損傷前后的振型差值與損傷前振型的比值，然后利用振型相對變化圖就可以基本確定損傷的位置。

1.3基于柔度變化的結構損傷診斷方法

基于柔度變化的結構損傷診斷方法是通過計算損傷前后二個柔度矩陣的差值矩陣，然后計算出柔度矩陣中各列的最大元素，最后通過檢查最大元素的位置就可以確定損傷的位置。柔度矩陣在滿足歸一化條件下，它是頻率的倒數和振型的函數，由于頻率越大，柔度矩陣中高頻率倒數的影響可以忽略不計，因此可以通過測量低頻率就可以獲得精度就好的矩陣。

1.4基于剛度變化的結構損傷診斷方法

土木工程結構發(fā)生損傷時，剛度會降低，因此可以采用基于剛度變化的結構損傷診斷方法來確定發(fā)生損傷的位置，但是剛度發(fā)生顯著變化往往發(fā)生在一些較大的結構損傷中，一些較小的結構損傷不會發(fā)生明顯的剛度變化，因此當發(fā)生微小的結構損傷時，不能采用基于剛度變化的結構損傷診斷方法來確定發(fā)生損傷的具體位置。

1.5基于頻響函數變化的結構損傷診斷方法

頻響函數的變化完全是由損傷的位置和類型決定，因此我們可以利用頻響函數的變化對土木工程結構損傷進行診斷，雖然頻響函數包括非常大的信息量，但是我們在診斷過程中往往只需要頻響函數的一列數據。有的研究人員利用的傳遞函數識別損傷的方法，也叫作頻響函數曲率法，這種診斷方法不僅受噪音的影響很低，而且診斷出的結果比較準確。有的研究人員是利用頻響函數數據和有限元模型進行損傷位置的確定，這種方法需要研究人員假設出所有產生損傷的情況。

2土木工程結構損傷診斷研究展望

2.1識別小損傷的研究

土木工程結構發(fā)生大損傷時，剛度、柔度、頻響函數等參數都會發(fā)生明顯的變化，因此采用合理的診斷方法就可以確定損傷位置和類型，但是有時候土木工程發(fā)生的損傷都是小損傷，這時小損傷對系統參數影響較小，因此有許多診斷方法無法準確地診斷出土木工程結構損傷的具體情況。土木工程結構小損傷具有很強的不確定性和發(fā)展性，小損傷在很短的時間內可能發(fā)展為大損傷，并且小損傷對整體參數影響不大，但是對局部影響較大，因此識別小損傷將是未來土木工程結構損傷重要的研究方向。

2.2傳感器優(yōu)化布置的研究

傳感器是土木工程結構損傷診斷過程中必不可少的一部分，傳感器的主要作用是測量外部環(huán)境的變化，然后將對檢測到的信號進行綜合的處理和分析。損傷診斷的準確性不僅受傳感器的精度的影響，而且受傳感器數量的影響，診斷人員要想準確地判斷出發(fā)生結構損傷的位置，必須通過傳感器獲取更多的信息和數據，但是在獲取信息的過程中會花費大量的成本，因此傳感器的數量最優(yōu)化和布置最優(yōu)化也是未來土木工程結構損傷研究的重要方向。

2.3結構損傷診斷方法的研究

就目前來看，大型建筑具有復雜的結構，并且有著自身的特點，它包含著機械工程、建筑工程、材料工程等多個方面的知識，動力學方法已經不能夠滿足社會發(fā)展的要求，因此將振動理論和信號處理、人工智能、模式識別等多個領域的知識結合起來將成為未來的發(fā)展趨勢。為了能夠實現對土木工程結構損傷在線監(jiān)測，實時地監(jiān)測出土木工程結構的具體狀況，避免給人們的生命和財產帶來威脅，在線損傷診斷方法也是未來重要的研究方向。另外，分類法將會在未來土木工程結構損傷診斷過程中應用的越來越廣泛，分類法是將結構類型和損傷特征按照一定的標準進行分類，然后再用診斷的方法量化損傷特征，從而達到提高診斷準確性和提高診斷效率的目的。

綜上所述，土木工程結構不僅關系到建筑企業(yè)的經濟安全，而且關系到國家和社會的經濟安全。土木工程結構損傷診斷技術不僅可以提高土木工程的安全性能，而且可以應用于工程設計方案審查、工程質量鑒定、工程重建、工程維護等各個方面，因此可以說土木工程結構損傷診斷技術研究具有非常重要的意義。在未來，土木工程結構損傷研究將會朝著小損傷研究、傳感器的優(yōu)化布置、診斷方法等方面展開，從而確保土木工程結構的安全。