基于振動特性的隱蔽工程結構損傷識別方法探討

黃珊珊

摘 要：隱蔽工程結構是土木工程的重要組成部分，該部分的結構損傷不易被識別，為了對工程結構進行安全評估，必須精確診斷隱蔽工程結構損傷。文章結合振動特性的基本原理，提出了兩種以模型為基礎的損傷識別方法。

關鍵詞：振動特性；隱蔽工程；結構損傷識別

隨著城市化建設進度的加快，工程結構逐漸向大型化和智能化發(fā)展，建筑工程在使用的過程中，受到外部因素的影響，結構會出現(xiàn)不同程度的損傷。針對隱蔽工程而言，材料也會隨著時間的推移而老化，該結構的損傷識別尤為重要。為了建筑結構的安全性和穩(wěn)定性進行正確的評價，必須結合實際工程的特點，對隱蔽工程結構的損傷問題進行探討，將重點工作放在結構損傷的識別方面，以避免重大事故的發(fā)生。基于振動特性的損傷識別方法在隱蔽工程中應用十分廣泛，該技術成為目前建筑工程中重要的研究課題。

1 基于振動特性的損傷識別

隱蔽工程的損傷識別技術以振動特性為基礎，以結構模態(tài)參數(shù)和實際物理特性構建函數(shù)，其中就結構模態(tài)參數(shù)包含固有頻率、模態(tài)振型等，實際結構物理特性包含結構體質(zhì)量、阻尼和剛度等，因此結構動力響應的改變主要受到結構物理特性的影響。以振動特性為基礎，對隱蔽工程進行損傷識別，屬于一種典型的結構整體檢測方法，應用于土木工程結構中，具有整體檢測的優(yōu)點，可以應用環(huán)境激勵引起的結構針對整體結構進行質(zhì)量檢測。

針對隱蔽工程的損傷識別而言，在結構質(zhì)量評估過程中重點做好四方面工作。第一，判斷整體結構是否存在損傷問題；第二，在前一步驟的基礎上確定出損傷的位置；第三，判斷結構的損傷程度，對結構性能進行正確的評價；第四，結合判斷結構預測結構的使用壽命，構建評價體系。

損傷識別方法應用的過程中，必須結合相應的模型，對隱蔽工程結構進行識別。

2 隱蔽工程的損傷識別方法

應用結構損傷識別方法的過程中，需要重點結給定的結構動力特性，確定出損傷的原因、損傷位置和損傷程度，該方法應用的同時必須先選擇正確的損傷標識量。

損傷識別過程中確定的物理量可以為全局量，但是一般將局域量應用于結構損傷定位，應用的局域量滿足兩個條件，即對結構的局部損傷十分敏感，同時必須是位置坐標的單調(diào)函數(shù)。以振動特性為基礎，應用損傷識別方法主要是要建立完善的計算模型和估計出振動測試參數(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系。由于損傷問題對結構產(chǎn)生不同作用，可以將結構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。對于初始線彈性結構在受到損傷后將表現(xiàn)出一定的非線性特點的損傷，則定義為非線性損傷。實際上結構幾何和材料特殊性會對模態(tài)參數(shù)造成一定影響，在工程結構相應分析過程中主要應用線性方程進行模擬。現(xiàn)階段的損傷判斷研究主要集中在線性損傷的識別和檢測方面，針對線性方法的研究，需要構建科學的損傷識別模型。

3 以模型為基礎的損傷識別

基于模型識別方法，判斷隱蔽工程的損傷問題，主要應用模式匹配法和模型修正法，其中模式匹配法的優(yōu)勢是可以應用模型結構的字符串進行基本運算，借助實際結構特征對破損方案現(xiàn)實結果和測量結果進行對比，最接近的破損方案即為破損狀態(tài)；模型修正法的優(yōu)勢是可以精確地判斷結構損傷，結合已有的測量結果對工程結構的剛度、質(zhì)量和阻尼等進行反向識別。

3.1 模式匹配法

應用模式匹配法的過程中，需要做好四個方面的工作。第一，明確整體方案；第二，計算損傷方案中的指示值；第三，通過實驗方案后的指示值；第四，將損傷前后的指示值進行對比，最吻合的一組即為可能損傷。在獲取損傷方案的過程中，需要結合實際工程結構，測出不同損傷或者故障情況下對應的頻率特征，實現(xiàn)整體結構的故障診斷，另外也可以通過有限元模型對不同損傷情況下對應的頻率特征進行計算。針對隱蔽工程結構，一般結合有限元的計算結果，同時要求模型具有較高的精度。

模式匹配法的重點是要獲取損傷方案，如果實際結構的損傷情況較為單一，可以對工程進行準確的判斷，由于不能對損傷位置和損傷程度進行準確的判斷，也很難確定出單一損傷方案。針對土木工程的隱蔽工程而言，只能通過計算的方法獲得破損方案，可能出現(xiàn)計算模型誤差，識別精度將會降低，實際應用過程中也會有一定的困難。

3.2 模型修正法

為了建立準確的有限元模型，可以應用模型修正法。由于隱蔽工程界工程的原有模型參數(shù)和實際結構之間可能存在一定的誤差，需要就結合實驗的結果修正原有模型參數(shù)，同時進行準確的研究。結構出現(xiàn)損傷之后，整體結構中沒有損傷的模型將不能應用已有的測量結果，在模型修正的過程中可以通過對不同準確部分的判斷，辨別出工程損傷。模型修正法是一種數(shù)學反演問題，現(xiàn)有的測量模態(tài)較少，未知數(shù)的個數(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，可以應用矩陣優(yōu)化修正法進行求解。

矩陣優(yōu)化修正法將系統(tǒng)的總體矩陣和子結構的總體矩陣作為修正對象開展結構損傷識別中質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣的修正，矩陣優(yōu)化修正法計算精度較高，操作方便。現(xiàn)以剛度矩陣修正為例，做出如下分析：

先構造目標函數(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方程進行求解，具體做法可以結合拉格朗日乘子法和最小范數(shù)修正法等。靈敏度法應用的過程中需要應用泰勒級數(shù)將目標函數(shù)展開，可以通過實驗和理論分析的方法構建靈敏度矩陣。其中靈敏度方程可以寫成迭代形式，之后應用迭代法進行求解，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確地判斷出結構單元的損傷程度。

4 結語

以振動特性為基礎，對隱蔽工程損傷問題的分析過程十分復雜，通過建立完善的模型，應用可靠的操作識別方法對研究過程進行完善，提高操作識別的便利性和科學性，保證識別結果更加準確，滿足實際工程需求。

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