探求土木工程結(jié)構(gòu)損傷的辨別技術(shù)

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一、整體檢測(cè)技術(shù)

獲取結(jié)構(gòu)損傷信息的這種方法被籠統(tǒng)地稱之為整體檢測(cè)方法，包括：1）動(dòng)力特性識(shí)別技術(shù)；2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；3）遺傳算法技術(shù)；4）模型修正技術(shù)；5）小波分析技術(shù)。下文將針對(duì)前三種技術(shù)展開深入的探討。

1.動(dòng)力特性識(shí)別法

通過(guò)動(dòng)力測(cè)試得到一系列動(dòng)力響應(yīng)物理量（動(dòng)力指紋），并根據(jù)這些物理量對(duì)結(jié)構(gòu)特性展開分析、判斷的方法即所謂的動(dòng)力特性識(shí)別法或者動(dòng)力指紋法。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)存在損傷問題時(shí)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)將會(huì)發(fā)生一定的變化，進(jìn)而造成與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)力指紋發(fā)生變化，然后對(duì)這些動(dòng)力指紋展開分析，便可對(duì)工程結(jié)構(gòu)損傷展開相應(yīng)的識(shí)別和評(píng)估。

應(yīng)用較為廣泛的動(dòng)力指紋如下：1）頻率；2）振型；3）模態(tài)曲率；4）應(yīng)變模態(tài)；5）柔度；6）頻響函數(shù)；7）模態(tài)保證準(zhǔn)則（MAC）等。以珠江大橋的動(dòng)力特性測(cè)試為例。順著大橋橋面一共設(shè)置了13個(gè)測(cè)試斷面，于各個(gè)斷面處均設(shè)置了豎向（2個(gè)）、側(cè)向（1個(gè)）加速計(jì)，以獲取起風(fēng)條件下或者通船條件下大橋的振動(dòng)響應(yīng)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。收集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，需要借助大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立相應(yīng)的計(jì)算模型，并對(duì)其振動(dòng)特性予以有效識(shí)別。根據(jù)識(shí)別信息便可對(duì)大橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷情況進(jìn)行科學(xué)的判斷。

2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用得益于對(duì)人腦系統(tǒng)研究和模擬，其工作原理如下：不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)將會(huì)表現(xiàn)出不同的反應(yīng)，對(duì)這些反應(yīng)的基本特征進(jìn)行有效提取，然后將其中的關(guān)鍵信息作為參數(shù)，并將之輸入網(wǎng)絡(luò)，與此同時(shí)，將結(jié)構(gòu)損傷信息定義為輸出量，從而建立一個(gè)損傷分類十分明確的訓(xùn)練樣本集，將其送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展開相應(yīng)的訓(xùn)練，如此一來(lái)，便可在輸入?yún)?shù)、損傷信息二者之間建立一個(gè)因果的映射關(guān)系，不僅如此，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練、調(diào)整之后的網(wǎng)絡(luò)還具備了一定的模式分類功能。最后，將相關(guān)動(dòng)力參數(shù)傳輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，便可獲取經(jīng)過(guò)處理之后的結(jié)構(gòu)損傷信息。

以反向傳播前饋型多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為例。該模型主要由輸入層，還有若干隱含層共同構(gòu)成，其中，x1，…xn指的是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別指標(biāo)；y1，…yn指的是結(jié)構(gòu)損傷情況；N指的是結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)以及維數(shù)。在應(yīng)用過(guò)程中，需要按照“x*i=xi/max（x1，x2）”這一公式進(jìn)行歸一處理。應(yīng)用該模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的定位，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定。

3.遺傳算法技術(shù)

自然遺傳及自然選擇機(jī)理是這一技術(shù)的基礎(chǔ)所在。該技術(shù)能根據(jù)有限的測(cè)試信息，快速找到損傷位置，并準(zhǔn)確評(píng)估其受損程度，即便碰到模態(tài)信息不完整的問題，也能夠很好地發(fā)揮其遺傳算法尋優(yōu)能力。應(yīng)用遺傳算法技術(shù)的過(guò)程中，僅需對(duì)各可行解的目標(biāo)值展開相應(yīng)的計(jì)算即可，至于目標(biāo)函數(shù)是否具有良好的連續(xù)性則不作過(guò)多要求，另外，對(duì)梯度信息的依賴性也不大。

該技術(shù)在搜索處理環(huán)節(jié)，應(yīng)用了多線索并行搜索這一先進(jìn)方式，所以，不會(huì)被局部最小問題困擾，不僅如此，還具有使用方便，且魯棒性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。以應(yīng)用遺傳算法技術(shù)對(duì)復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別為例。根據(jù)分層損傷變量能夠計(jì)算出結(jié)構(gòu)存在損傷時(shí)的局部彈性模量，，便能夠完成對(duì)其他形式損傷的有限元模擬。

二、結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于土木工程而言，結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)識(shí)別分析是保證其正常運(yùn)行、安全運(yùn)行的一大技術(shù)保障，和使用者的生命安全密切相關(guān)，因此，受到了社會(huì)各界的普遍關(guān)注。除了完善現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)之外，致力于新?lián)p傷識(shí)別技術(shù)的研究和應(yīng)用也是該領(lǐng)域的一大主題。

作者：賈少文單位：江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院