鋼結構損傷機理及檢測方法

1、 鋼結構損傷傷機理及及檢測方法法姓 名名：*班 級級：土木木*班 學 號號：*摘要：本文文從鋼結構損損傷機理理與損傷傷檢測方方法入手手，介紹紹了國內內外結構構損傷檢檢測方法法的現狀狀，并詳詳細闡述述了基于于小波變變換的結結構損傷傷檢測方法法、基于柔柔度的結結構損傷傷檢測方法法、基于神神經網絡絡的結構構損傷檢檢測方法法等幾種結結構損傷傷檢測方法法。關鍵詞：鋼鋼結構損損傷檢測測方法 小波波變換柔柔度 神經網網絡1 引言重大工程諸諸如跨江江跨海的的大跨度度橋梁、用用于大型型體育賽賽事的大大跨度空空間結構構、代表表城市象象征的超超高層建建筑、開開發(fā)江河河能源的的大型水水利工程程以及核核電站工工程等，它

2、它們的使使用期長長達幾十十年甚至至上百年年，在環(huán)環(huán)境侵蝕蝕、材料料老化和和荷載的的長期效效應、疲疲勞效應應和突變變效應等等災害因因素的共共同作用用下，將將必可避避免地出出現結構構系統(tǒng)的的損傷累累積和抗抗力衰減減，從而而導致抵抵抗自然然災害甚甚至正常常環(huán)境作作用的能能力下降降。盡管管這些都都是設計計時能夠夠預料到到的結果果，但是是卻無法法完全考考慮所有有因素的的影響，從從而無法法推斷結結構內部部應力的的實時狀狀況，也也無法預預知結構構隨著時時間的推推移，在在一定荷荷載作用用下的反反應。因此，為了了保障結結構的安安全性、完完整性、適適用性與與耐久性性，已建建成的重重大工程程結構和和基礎設設施需采采

3、用有效效地技術術手段監(jiān)監(jiān)測和評評定其安安全狀況況，并及及時修復復和控制制結構損損傷；而而對于新新建的大大型結構構和基礎礎設施應應總結以以往的經經驗和教教訓，在在工程建建設的同同時安裝裝長期的的結構健健康監(jiān)測測體系，以以監(jiān)測結結構的服服役安全全情況，同同時為研研究結構構服役期期間的損損傷演化化提供有有效和直直接的實實驗平臺臺。2 鋼結構構損傷機機理及危危害2.1 鋼鋼結構的的穩(wěn)定問問題鋼材的強度度遠較混混凝土、砌砌體及其其他常見見結構材材料的強強度高，在在通常的的建筑結結構中按按允許應應力求得得的鋼結結構構件件所需的的斷面較較小，因因此，在在多數情情況下，鋼鋼結構構構件的截截面尺寸寸是由穩(wěn)穩(wěn)定控

4、制制的。鋼鋼結構構構件的失失穩(wěn)分兩兩類：喪喪失整體體穩(wěn)定性性和喪失失局部穩(wěn)穩(wěn)定性。兩兩類失穩(wěn)穩(wěn)形式都都將影響響結構或或構造的的正常承承載和使使用或引引發(fā)結構構的其他他形式破破壞。影響結構構構件整體體穩(wěn)定性性的主要要原因有有：（1）構件件設計的的整體穩(wěn)穩(wěn)定不滿滿足，即即長細比比不滿足足要求。（2）構件件的各類類初始缺缺陷，包包括初彎彎矩、初初偏心、熱熱軋和冷冷加工產產生的殘殘余應力力和殘余余變形及及其分布布、焊接接殘余應應力和殘殘余變形形等。（3）構件件受力條條件的改改變，如如超載、節(jié)節(jié)點的破破壞、溫溫度的變變化、基基礎的不不均勻沉沉降、意意外的沖沖擊荷載載、結構構加固過過程中計計算簡圖圖的改變

5、變等。（4）施工工臨時支支撐體系系不夠。影響鋼結構構構件局局部失穩(wěn)穩(wěn)的主要要原因有有：（1）構件件局部穩(wěn)穩(wěn)定的不不滿足。（2）局部部受力不不穩(wěn)加勁勁構造措措施不合合理。（3）吊裝裝時吊點點位置選選擇不當當。2.2 鋼鋼結構的的疲勞破破壞鋼結構在持持續(xù)反復復荷載下下會發(fā)生生疲勞破破壞。在在疲勞破破壞之前前，鋼構構件并不不出現明明顯的變變形或局局部的頸頸縮，鋼鋼材的疲疲勞破壞壞是脆性性破壞。疲疲勞破壞壞的機理理是：鋼鋼材內部部及其外外表有雜雜質和損損傷存在在，在反反復荷載載作用下下，在這這些薄弱弱點附近近形成應應力集中中，使鋼鋼材在很很小的區(qū)區(qū)域內產產生較大大的應變變，于是是在該處處首先發(fā)發(fā)生微裂

6、裂，在反反復荷載載繼續(xù)作作用下，微微裂擴展展，前裂裂口發(fā)展展到一定定程度，該該截面上上的應力力超過鋼鋼材晶粒粒格間的的結合力力，于是是發(fā)生脆脆斷。鋼材斷裂時時，相應應的最大大應力maxx稱為鋼材材的疲勞勞強度，疲疲勞強度度與荷載載循環(huán)次次數等因因素有關關，結構構工程中中是以二二百萬次次循環(huán)時時產生疲疲勞斷裂裂的最大大應力作作為疲勞勞極限。鋼鋼材的疲疲勞強度度與鋼材材本身的的強度關關系不大大，而與與構件表表面情況況、焊縫縫表面情情況、應應力集中中、殘余余應力、焊焊縫缺陷陷等因素素有關。2.3 鋼鋼結構的的脆性破破壞鋼結構的一一個顯著著的特點點是變形形性能好好，特別別是當構構件使用用低碳鋼鋼時，由

7、由于低碳碳鋼有明明顯的屈屈服臺階階，因此此鋼結構構的破壞壞是有先先兆的。但但是在一一定條件件下，鋼鋼材會發(fā)發(fā)生脆性性斷裂，構構成無先先兆的突突然破壞壞，這種種破壞是是建筑結結構設計計和使用用中所不不允許的的，因此此應特別別予以注注意。鋼結構脆性性斷裂可可分成以以下幾個個類別：低溫脆脆斷、應應力腐蝕蝕、氫脆脆、疲勞勞破壞和和斷裂破破壞等。造造成脆斷斷的原因因除低溫溫、腐蝕蝕、反復復荷載等等外部因因素之外外，鋼材材本身的的缺陷、設設計不合合理及施施工質量量等是構構成其破破壞的內內因。由由于脆性性破壞是是突發(fā)的的，沒有有明顯的的預兆，因因此發(fā)現現問題加加固處理理是比較較困難的的，主要要是采取取預防措

8、措施，使使其不產產生脆性性斷裂。2.4 鋼鋼結構的的防火與與防腐2.4.11 鋼結構構防火鋼結構防防火性能能較差。溫溫度升高高鋼材強強度將降降低，當當溫度達達到5550時，鋼鋼材的屈屈服強度度大約降降至正常常溫度時時屈服強強度的0.7。就是是說，結結構即達達到它的的強度設設計值而而可能發(fā)發(fā)生破壞壞。設計計中應根根據有關關防火規(guī)規(guī)范規(guī)定定的不同同防火等等級及不不同使用用要求，使使建筑結結構能滿滿足相應應防火標標準的要要求。2.4.22鋼結構構防腐蝕蝕鋼材由于和和外界介介質相互互作用而而產生的的損壞過過程稱為為腐蝕，又又叫鋼材材銹蝕。鋼鋼材銹蝕蝕分為化化學腐蝕蝕和電化化學腐蝕蝕兩種?；瘜W腐蝕蝕是

9、大氣氣或工業(yè)業(yè)廢氣中中含的氧氧氣、碳碳酸氣、硫硫酸氣或或非電介介質液體體與鋼材材表面作作用（氧氧化作用用）產生生氧化物物引起的的銹蝕。電電化學腐腐蝕是由由于鋼材材內部有有其他金金屬雜質質，具有有不同電電極電位位，在與與電介質質或水、潮潮濕氣體體接觸時時，產生生原電池池作用，使使鋼材腐腐蝕。絕絕大多數數鋼材銹銹蝕是電電化學腐腐蝕或化化學腐蝕蝕與電化化學腐蝕蝕同時作作用形成成。鋼材材的腐蝕蝕速度與與環(huán)境濕濕度、溫溫度及有有害介質質濃度有有關，在在濕度大大、溫度度高、有有害介質質濃度高高的條件件下，鋼鋼材腐蝕蝕速度加加快。3 結構損損傷檢測測方法結構損傷檢檢測可采采用外觀觀目測、基基于儀器器設備的的

10、局部損損傷檢測測、基于于靜態(tài)數數據的結結構損傷傷檢測和和基于動動態(tài)數據據的結構構損傷檢檢測等方方法，它它們各有有特點，適適用于不不同的工工程實際際。3.1 損損傷檢測測內容結構在長期期的自然然環(huán)境和和使用環(huán)環(huán)境的雙雙重作用用下，其其功能將將逐漸減減弱，這這是一個個不可逆逆轉的客客觀規(guī)律律，如果果能夠科科學地評評估這種種損傷的的規(guī)律和和程度，及及時采取取有效的的處理措措施，可可以延緩緩結構損損傷的進進程，以以達到延延長結構構使用壽壽命的目目的。鋼鋼結構房房屋由于于結構的的先天缺缺陷及惡惡劣使用用環(huán)境引引起的結結構缺陷陷和損傷傷，設計計標準使使用要求求的改變變，都將將導致原原結構可可靠性的的改變，

11、有有時經過過檢測加加固后才才能保證證功能的的正常使使用及保保證功能能改變的的順利進進行。鋼鋼結構的的損傷檢檢測主要要包括以以下幾個個方面：3.1.11幾何量量檢測裂縫的檢測測包括裂裂縫出現現的部位位(分布)、裂縫縫的走向向、裂縫縫的長度度和寬度度。觀察察裂縫的的分布和和走向，可可繪制裂裂縫分布布圖。裂裂縫寬度度的檢測測主要用用10倍20倍讀讀數放大大鏡、裂裂縫對比比卡及塞塞尺等工工具。裂裂縫長度度可用鋼鋼尺測量量，裂縫縫深度可可用極薄薄的鋼片片插入裂裂縫，粗粗略地測測量，也也可沿裂裂縫方向向取芯或或超聲儀儀檢測。判判斷裂縫縫是否發(fā)發(fā)展可用用粘貼石石膏法，將將厚100 mmm左右，寬寬約500

12、mmm80 mm的的石膏餅餅牢固地地粘貼在在裂縫處處，觀察察石膏是是否裂開開；也可可以在裂裂縫的兩兩側粘貼貼幾對手手持式應應變儀的的頭子，用用手持式式應變儀儀量測變變形是否否發(fā)展。3.1.22結構變變形檢測測測量結構或或構件變變形常用用儀器有有水準儀儀、經緯緯儀、錘錘球、鋼鋼卷尺、棉棉線等常常規(guī)儀器器以及激激光測位位移計、紅紅外線測測距儀、全全站儀等等。結構構變形有有許多類類型，如如梁、屋屋架的撓撓度，屋屋架傾斜斜，柱子子側移等等需要根根據測試試對象采采用不同同的方法法和儀器器。測量量小跨度度的梁、屋屋架撓度度時，可可用拉鐵鐵絲的簡簡單方法法，也可可選取基基準點用用水準儀儀測量。屋屋架的傾傾斜

13、變位位測量，一一般在屋屋架中部部拉桿處處，從上上弦固定定吊錘到到下弦處處，量測測其傾斜斜值，并并記錄傾傾斜方向向。3.1.33結構材材料性能能檢測對鋼材性能能檢測主主要是指指裂紋、孔孔洞、夾夾渣等。對對焊縫主主要是指指夾渣、氣氣泡、咬咬邊、燒燒穿、漏漏焊、未未焊透以以及焊腳腳尺寸不不足等；對鉚釘釘或螺栓栓主要是是指漏鉚鉚、漏檢檢、錯位位、錯排排及掉頭頭。檢測測方法主主要是外外觀檢查查、x射線、超超聲波探探傷、磁磁粉探傷傷方法和和滲透探探傷方法法檢查。超超聲法用用于金屬屬材料的的探測要要求頻率率高，功功率不必必太大，這這樣測試試靈敏度度高，測測試精度度好。超超聲波探探傷通常常采用縱縱波探傷傷和橫

14、波波探傷(主要用用于焊縫縫探傷)兩種方方法。超超聲波對對鋼結構構檢測，要要求測點點平整光光滑。3.2基于于小波變變換的結結構損傷傷檢測方法法小波變換時時近200多年來發(fā)發(fā)展起來來的一種種新的強強大的信信號時頻頻分析方方法。小小波分析析方法是是一種窗窗口大小小固定但但其形狀狀可改變變的時頻頻局部化化分析方方法。在在低頻部部分具有有較高的的頻率分分辨率和和較低的的時間分分辨率，在在高頻部部分具有有較高的的時間分分辨率和和較低的的頻率分分辨率，被被譽為“數學顯顯微鏡”。正式這這種特性性，使它它具有對對信號的的自適應應性，因因而越來來越廣泛泛地被運運用于實實際功臣臣。小波變換的的思想來來源于伸伸縮與平

15、平移方法法。小波波分析方方法的提提出，最最早源于于19110年Haaar提出出的正交交基（這這是一組組非正則則基）。小小波分析析用于結結構損傷傷識別，具具有天然然的優(yōu)勢勢：一方方面，實實際工程程中結構構的實測測信號不不可避免免地混有有噪聲和和干擾，小小波變換換可以同同時在時時域和頻頻域對信信號進行行分析，區(qū)區(qū)分信號號中的有有效成分分和噪聲聲干擾成成分，實實現信號號消噪，完完成信號號預處理理；另一一方面，利利用小波波良好的的時頻分分辨能力力以及帶帶通濾波波性質可可以使系系統(tǒng)自動動解耦，然然后再從從脈沖響響應函數數的小波波變換出出發(fā)識別別模態(tài)參參數。3.2.11 小波變變換基本本理論小波（waav

16、ellet），即小小區(qū)域的的波，是是一種特特殊的有有限長度度、平均均值為0的波形形。如果果函數滿滿足則稱為一基基本小波波或母小小波，式式中是的傅里里葉變換換。經過過平移和和伸縮可可以得到到一族小小波基。這里為尺度度因子，為平移因子，且， 通常把連續(xù)小波中的尺度參數和平移因子離散化，取，在這里，步長，通常取，因此，對離散小波變換可以寫成離散小波系系數變換換可表示示為通常取，則則小波為為3.2.22 小波奇奇異性檢檢測原理理如果一個函函數在點不可可微，則則說明它它在點是是奇異（故故障信號號）的，現將將Lippschhitzz指數引引申到，以度量量函數的的奇異性性。定義1 令，如果果存在一一個常數數

17、，使，成立，則稱稱在是Lippschhitzz的。如如對和一一個與無無關的常常數，使使得上式式成立，則則稱在區(qū)區(qū)間是一一致Liipscchittz的。的上界界值稱為為Lippschhitzz的奇異異性。如在點可微微，則其其Lippschhitzz指數至至少為11，粗略略地說，如如，則上式式可以改改寫為，當時，不不等式的的左邊實實際上就就是在點點的一階階導數，取取，則上式式成立。如在點不連連續(xù)但在在的鄰域域有界，則則其Liipscchittz指數數為0。當時，上式式成為,左面最最多等于于在點的躍躍度，取取等于或或大于躍躍度，則則式成立立。還可可以將LLipsschiitz指指數推廣廣到負數數的情

18、況況，并可可以清楚楚地看出出，Liipscchittz指數數確實能能在更一一般的意意義下定定量地描描述函數數的奇異異性。需需注意，采采用某種種小波計計算出來來的Liipscchittz指數數越趨近近于零，那那么該小小波對檢檢測奇異異信號越越具有良良好的效效果。3.3 基基于柔度度的結構構損傷檢檢測方法法對于一個結結構系統(tǒng)統(tǒng)來說，只只要系統(tǒng)統(tǒng)的運行行狀態(tài)發(fā)發(fā)生了變變化，就就必定影影響到與與之相互互聯系的的各個物物理參量量，損傷傷與各物物理參量量之間的的關系強強弱不同同，只有有那些與與損傷關關系緊密密即對損損傷敏感感的物理理參量才才能被用用于進行行結構損損傷檢測測。將這這些對損損傷敏感感的物理理參

19、量叫叫做敏感感參數，結結構損傷傷檢測的的關鍵就就是找到到與損傷傷敏感的的參數，柔度曲率幅值突變系數法就是對鋼結構損傷敏感的一種損傷診斷方法。下面介紹其基本原理。由模態(tài)分析析可知，結結構的剛剛度矩陣陣和結構構的柔度度矩陣可可以用模模態(tài)參數數表示為為式中，為結結構剛度度矩陣；為結構構柔度矩矩陣；為為結構質質量矩陣陣；為質質量歸一一的振型型向量。由式(1)和(2)可以看出，模態(tài)參數對剛度矩陣的貢獻與自振頻率的平方成正比，因此，用實驗模態(tài)參數較為精確的估計結構剛度矩陣，必須獲得較高階模態(tài)參數。相反，模態(tài)參數對柔度矩陣的貢獻與自振頻率的平方成反比，模態(tài)實驗中只需獲得較低階模態(tài)參數，就可以較好的得到結構的

20、柔度矩陣。損傷結構的的柔度矩矩陣為從數學上來來看，曲曲率反映映了函數數隨節(jié)點點變化的的劇烈程程度，損損傷單元元的柔度度曲率比比無損傷傷單元的的柔度曲曲率大。因因此，柔柔度曲率率較柔度度差值更更能反映映結構損損傷的位位置。由由有限元元的中心心差分法法可以得得到結構構損傷前前后的柔柔度曲率率分別為為式中，為相相鄰兩計算點點間的距距離。根據式(44)、(5)就可可以求出出結構損損傷前后后的柔度度曲率，比比較損傷傷前后的的柔度曲曲率就可可以得到到結構的的柔度曲曲率差值值，即結構的柔度度差值曲曲率是基基于柔度度曲率產產生的，結結構發(fā)生生損傷前前后的柔柔度矩陣陣分別為為和，那么么，柔度度矩陣的的改變量量為

21、柔度差值曲曲率表示示為在已知損傷傷結構柔柔度曲率率的基礎礎上，為為了進一一步明確確柔度曲曲率和結結構損傷傷之間的的關系，可可以導出出柔度曲曲率幅值值突變系系數，該該系數表表示為式中，為柔柔度曲率率幅值突突變系數數；，分別為為損傷點點和相應應的柔度度曲率值值。3.4 基基于神經經網絡的的結構損損傷檢測測方法神經網絡應應用于結結構損傷傷檢測中中取，是是近幾十十年來十十分活躍躍的應用用領域之之一?？偪偟膩碚f說，神經經網絡之之所以可可以成功功地應用用于結構構損傷檢檢測領域域，主要要基于以以下兩個個方面的的原因：（1）神經經網絡對對先驗知知識需求求寬松，具具有自學學習、自自適應、聯聯想、記記憶、和和模式

22、匹匹配的能能力。訓訓練過的的神經網網絡能存存儲有關關過程的的知識，能能直接從從定量的的歷史損損傷信息息中學習習。可以以根據對對象的正正常歷史史數據訓訓練網絡絡，然后后將此信信息與當當前測量量數據進進行模式式匹配與與比較，從從而確定定損傷的的狀態(tài)。（2）神經經網絡具具有濾除除噪聲和和在有噪噪聲的情情況下得得出正確確結論的的能力。訓訓練好的的神經網網絡能在在有噪聲聲的環(huán)境境中有效效地工作作，實時時性、魯魯棒性強強。這種種濾除噪噪聲的能能力使得得神經網網絡特別別適合于于在線損損傷識別別和健康康檢測。目前，基于于神經網網絡的損損傷識別別方法已已經研究究得越來來越深入入。在損損傷識別別中采用用神經網網絡

23、方法法有兩種種途徑，一一種是直直接利用用神經網網絡完成成損傷模模式的分分類和損損傷狀態(tài)態(tài)的估計計；另一一種是將將神經網網絡與其其他損傷傷識別方方法相結結合，神神經網絡絡作為整整個損傷傷識別系系統(tǒng)中的的某個子子系統(tǒng)完完成所需需的特殊殊功能。神經網絡用用于結構構損傷識識別的基基本思想想是：神神經網絡絡用于損損傷識別別主要是是利用神神經網絡絡模式識識別功能能，而模模式識別別就是將將理論分分析得到到的損傷傷模式特特征庫與與實測的的模式進進行匹配配。應用用人工神神經網絡絡技術進進行結構構損傷識識別的一一般過程程為：（1）選定定一種網網絡模型型，并選選擇對結結構損傷傷敏感的的參數作作為網絡絡的輸入入向量，

24、結結構的損損傷狀態(tài)態(tài)作為輸輸出。對對結構進進行正問問題分析析，獲得得結構不不同損傷傷狀態(tài)下下的動力力特性，據據此構造造神經網網絡的學學習樣本本，建立立損傷分分類樣本本集。（2）將學學習樣本本送入神神經網絡絡進行訓訓練，建建立輸入入參數與與結構損損傷狀態(tài)態(tài)之間的的映射關關系，得得到用于于結構損損傷識別別的神經經網絡。（3）對損損傷識別別目標結結構進行行測試，獲獲得結構構動力特特性參數數，并按按照輸入入參數的的具體情情況進行行處理，輸輸入神經經網絡進進行損傷傷識別，得得到結構構的實際際損傷狀狀態(tài)信息息。3.5 其其它結構構損傷檢檢測方法法除上述幾種種結構損損傷檢測測方法外外，應用用較多的的診斷方方

25、法還有有基于固固有頻率率變化的的損傷檢檢測、基基于振型型變化的的損傷檢檢測、基基于振型型曲率變變化的損損傷檢測測、基于于殘余力力向量的的損傷檢檢測、基基于壓電電阻抗的的損傷檢檢測等等等，在此此就不一一一贅述述。4 總結由于設計、施施工、管管理、環(huán)環(huán)境腐蝕蝕、自然然災害等等原因，結結構將不不可避免免地發(fā)生生老化、破破損、裂裂縫等現現象，這這就要求求結構健健康監(jiān)測測與安全全評價系系統(tǒng)能及及時發(fā)現現損傷并并作出預預警。本本文著重重對鋼結構損損傷機理理及損傷傷檢測理論論、方法法進行了了研究，主主要介紹紹了基于于小波變變換的結結構損傷傷檢測方法法、基于柔柔度的結結構損傷傷檢測方法法、基于神神經網絡絡的結

26、構構損傷檢檢測方法法等三種種損傷檢測測方法，對對國內外外的損傷傷識別方方法的現現狀做了了簡單的的評述。參考文獻1朱宏宏平.結構損損傷檢測測的智能能方法M.北京:人民交交通出版版社,20009.2袁穎穎,周愛紅.結構損損傷識別別理論及及其應用用M.北京:中國大大地出版版社,20008.3李愛愛群,丁幼亮.工程結結構損傷傷預警理理論及其其應用M.北京:科學出出版社,20007.4張悅悅,杜守軍,張麗梅.小波奇奇異性在在鋼結構構損傷檢檢測中的的應用J.河北科科技大學學學報,20010,31(4):1511-1557.5孫榮榮玲,韓應軍.鋼結構構損傷檢檢測與加加固J.山西西建筑,20007,333(88):885-886.6武永永彩,劉浩.基于神神經網絡絡的平面面鋼桁架架結構損損