震后鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別現(xiàn)狀及展望

許成祥，徐晶金，倪鐵權(quán)

（長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

對(duì)于地震后生命線工程的結(jié)構(gòu)損傷狀況進(jìn)行識(shí)別并進(jìn)行評(píng)估，然后根據(jù)評(píng)估結(jié)果給出土木工程結(jié)構(gòu)應(yīng)急修復(fù)處理或恢復(fù)重建加固方案，是當(dāng)前抗震救災(zāi)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。損傷識(shí)別技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)實(shí)用、能夠宏觀反映結(jié)構(gòu)性能、可以探測(cè)結(jié)構(gòu)隱蔽部位缺陷等優(yōu)點(diǎn)在土木工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)因其具有良好的力學(xué)性能和施工性能，被廣泛使用于高層建筑和大跨度等大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系中。因此，開展鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的地震損傷分析與損傷識(shí)別方法研究，對(duì)損傷狀態(tài)作出快速評(píng)估、標(biāo)識(shí)損傷位置和損傷程度、評(píng)判其是否“可修”、是否需要加固和可否繼續(xù)使用具有重要意義。

1 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀

對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別研究可以分為3個(gè)階段：①20世紀(jì)50年代前，為探索階段，主要通過(guò)目測(cè)來(lái)判斷鋼管混凝土結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)維修方法；②20世紀(jì)60年代至70年代，該階段注重檢測(cè)與評(píng)估方法的研究，提出了破損檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)、物理檢測(cè)等檢測(cè)方法以及分項(xiàng)評(píng)價(jià)、模糊評(píng)價(jià)等評(píng)價(jià)方法；③20世紀(jì)80年代至今為完善階段，研究并制定了一系列規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，更加注重鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究。

1984年，同濟(jì)大學(xué)材料系［1］針對(duì)鋼管混凝土質(zhì)量和強(qiáng)度檢測(cè)問(wèn)題，采用超聲脈沖方法進(jìn)行了系統(tǒng)的探測(cè)研究，最終確立了超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程（CECS21：2000）。1996年，邱法維等［2］研究了鋼管混凝土柱在水平載荷作用下的累積滯回耗能問(wèn)題，采用等價(jià)滯回圈數(shù)的概念分析了鋼管混凝土的低周疲勞損傷問(wèn)題，并進(jìn)一步考慮了地震作用下的損傷情況，為此在雙參數(shù)累積損傷模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改耗能因子，使其損傷模型適用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。1997年，潘紹偉等［3］提出對(duì)鋼管混凝土拱橋內(nèi)混凝土質(zhì)量采用低頻超聲波檢測(cè)的技術(shù)，并根據(jù)聲速、波幅和波形以及脈沖回響等超聲參量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。2003年，姜紹飛等［4］基于鋼管混凝土硬化機(jī)理，提出了鋼管混凝土（結(jié)構(gòu)）健康監(jiān)測(cè)與檢測(cè)的技術(shù)。2003年，黃新國(guó)［5］基于波的繞射理論，提出了鋼管混凝土表面波檢測(cè)的新技術(shù)。通過(guò)鋼管混凝土柱的模型試驗(yàn)，證實(shí)了該方法的可行性。2006年，周先雁等［6］提出利用超聲波法和沖擊回波法檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量是可行的的方法。2007年，郭蓉等［7］通過(guò)分析方鋼管混凝上柱在低周反復(fù)荷載作用下的情況，獲得了各構(gòu)件破壞時(shí)的累積滯回耗能，并通過(guò)回歸分析得到了適合方鋼管混凝上柱的雙參數(shù)損傷模型。2012年，許斌等［8］設(shè)計(jì)制作了一個(gè)局部區(qū)域存在模擬界面剝離損傷的矩形鋼管混凝土柱，將壓電陶瓷片用水泥砂漿封裝制成驅(qū)動(dòng)器并預(yù)埋入鋼管混凝土柱混凝土內(nèi)部，在信號(hào)源產(chǎn)生的正弦掃頻電壓信號(hào)的作用下產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)在鋼管外壁不同區(qū)域粘貼壓電陶瓷片作為傳感器，測(cè)量具有模擬剝離損傷的鋼管混凝土柱4個(gè)監(jiān)測(cè)面上壓電陶瓷片傳感器的輸出電壓，再分別對(duì)位于完好界面和模擬剝離損傷區(qū)域壓電傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行了小波包總能量和小波包能量譜分析。分析表明，剝離區(qū)域的小波包能量譜具有明顯差異。據(jù)此提出了基于小波包能量譜的加權(quán)相對(duì)變化損傷指標(biāo)，并利用該指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕缑鎿p傷區(qū)域進(jìn)行了準(zhǔn)確識(shí)別。

綜上所述，目前對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的震后損傷識(shí)別的研究主要集中在鋼管混凝土局部質(zhì)量檢測(cè)、鋼管混凝土構(gòu)件承載能力、滯回性能的研究，而對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷模型的研究還比較薄弱。

2 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究存在的問(wèn)題

1）識(shí)別方法單一 目前，工程中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)主要集中鋼管混凝土框架柱、梁、節(jié)點(diǎn)等局部構(gòu)件上，針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)整體在地震作用下的損傷診斷尚未見報(bào)道。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)中的局部法存在如下不足：①要求事先知道損傷的近似位置；②要求檢測(cè)人員必須到達(dá)損傷區(qū)域；③損傷檢測(cè)期間，要求停止使用檢測(cè)結(jié)構(gòu)的相關(guān)功能；④不能發(fā)現(xiàn)全壽命周期內(nèi)任一時(shí)刻的損傷；⑤不能實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法單一，存在較大局限性。

2）識(shí)別層次有限 Doebling等［9］將土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別劃分為5個(gè)層次：①確定損傷存在；②確定損傷位置；③確定損傷的類型；④確定損傷程度；⑤評(píng)估剩余壽命。由于相關(guān)理論和方法存在局限性，目前土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究主要集中在前3個(gè)層次上，而對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)的損傷程度和評(píng)估剩余使用壽命評(píng)估的研究還十分有限。

3）損傷機(jī)理不明 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼管及核心混凝土在受力過(guò)程中存在組合作用，其力學(xué)性能十分復(fù)雜，目前對(duì)鋼管混凝上結(jié)構(gòu)的彈塑性變形、動(dòng)態(tài)損傷等多種效應(yīng)藕合機(jī)理還不明確。此外，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力過(guò)程，其與鋼管和混凝土材料特性、幾何參數(shù)和損壞部位等密切相關(guān)，這使該問(wèn)題研究的難度加大。

4）損傷模型不完善 合理的模型是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷分析的基礎(chǔ)，其應(yīng)具備理論上的合理性（不僅能夠反映材料受力行為的主要特征，而且在邏輯上是自洽的）和應(yīng)用上的簡(jiǎn)明性（可以方便地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的分析之中，并且模型的主要參數(shù)能通過(guò)成熟的力學(xué)試驗(yàn)方法獲?。?。已有的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷模型過(guò)于簡(jiǎn)單或繁瑣，難以應(yīng)用在工程實(shí)際中。因此，建立理論基礎(chǔ)嚴(yán)謹(jǐn)、形式簡(jiǎn)單、參數(shù)可用、簡(jiǎn)單成熟的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷模型勢(shì)在必行。

3 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究展望

1）引入土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域的全局識(shí)別方法 該方法基于動(dòng)力特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，是通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別技術(shù)識(shí)別出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（頻率、振型、振型、阻尼等），然后由模態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的物理參數(shù)（質(zhì)量、剛度、阻尼等），通過(guò)比較參數(shù)的變化進(jìn)而判定結(jié)構(gòu)的損傷狀況。因此，在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究中引入該方法具有重要作用。

2）研究損傷機(jī)理，建立精細(xì)化的土木工程結(jié)構(gòu)損傷模型 鋼管混凝土是在薄壁鋼管內(nèi)填充普通混凝土，將2種不同性質(zhì)的材料組合而形成的組合結(jié)構(gòu)，其震后損傷特性有別于其他的土木工程結(jié)構(gòu)。只有深入研究損傷機(jī)理，建立精細(xì)化的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)損傷模型，才能保證研究結(jié)果的真實(shí)性和有效性。

3）損傷診斷中的步驟問(wèn)題 由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，要進(jìn)一步診斷其損傷狀況十分困難，宜采取多步驟診斷策略，即先確定有無(wú)損傷，然后確定損傷位置，最后確定鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度。

［1］CECS21－2000，超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］邱法維，楊衛(wèi)東，歐進(jìn)萍 .鋼管混凝土柱滯回耗能和累積損傷的試驗(yàn)研究［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，29（3）：41－45.

［3］潘紹偉，葉躍忠，徐全 .鋼管混凝土拱橋超聲波檢測(cè)研究［J］.橋梁建設(shè)，1997，23（1）：32－35.

［4］姜紹飛，許丕元，陳維 .鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（增刊）：204－207，229.

［5］黃新國(guó) .鋼管混凝土表面波檢測(cè)方法的研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2003.

［6］周先雁，肖云風(fēng) .用超聲波法和沖擊回波法檢測(cè)鋼管混凝土質(zhì)量的研究［J］.中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（6）：44－48.

［7］郭蓉，王鐵成，趙少偉仁，等 .方鋼管混凝土柱的地震損傷模型［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（3）：109－112.

［8］許斌，李冰，宋剛兵，等 .基于壓電陶瓷的鋼管混凝土柱剝離損傷識(shí)別研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（7），86－96.

［9］Rytter A.Vibration based inspection of civil engineering str uctures［A］ .Dissertation Depart ment of Building Technology and Str uctural Engineering［C］.Den mar k：Aalbor g University，1993：34－36.