淺議古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識別方法

董晴晴 趙騰飛 倪浩冉 吳志偉 王愛森

（1聊城大學(xué) 季羨林學(xué)院；2聊城大學(xué) 建筑工程學(xué)院山東聊城）

0 簡述

古建筑木結(jié)構(gòu)中，影響木結(jié)構(gòu)安全的核心問題是結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的殘損或損傷程度。木材具有易腐朽、蟲蛀、硬度低等缺陷，長期暴露在自然環(huán)境下，很容易出現(xiàn)諸如開裂、孔洞等殘損現(xiàn)象，加上地震、颶風(fēng)、洪水、滑坡等自然災(zāi)害，以及年久失修、戰(zhàn)爭、人為破壞等因素，木結(jié)構(gòu)和木構(gòu)件的安全問題成為古建筑木結(jié)構(gòu)預(yù)防性保護的核心問題。正如人體“有病治病，無病預(yù)防，查體診斷，防患未然”一樣，古建筑木結(jié)構(gòu)也要進行檢測，鑒定其狀態(tài)和性能，以便后續(xù)維保。損傷識別是結(jié)構(gòu)安全檢測工作的一項重要方法和手段。通過現(xiàn)場檢查和一般性檢測可以掌握古建筑木結(jié)構(gòu)的明顯的變形、損傷和損毀程度，而構(gòu)件、連接節(jié)點或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷和力學(xué)性能等則很難判斷和掌握，需要通過一定的損傷識別方法來實現(xiàn)。對當前常用的損傷識別方法的應(yīng)用情況加以分析，以期能對同行有借鑒作用。

1 木結(jié)構(gòu)損傷識別概況

損傷識別是古建筑木結(jié)構(gòu)損傷檢測中的重要方法。不同于一般性損傷檢測，損傷識別能夠?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)部損壞位置和程度進行識別檢測，比如木構(gòu)件內(nèi)部蟲蛀、空洞，卯榫節(jié)點的腐朽、斷裂，結(jié)構(gòu)剛度的降低等。通過木結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵性能指標的測試結(jié)果，判斷分析結(jié)構(gòu)或構(gòu)件是否存在損傷狀況，及損傷的部位和損壞程度，是后續(xù)結(jié)構(gòu)鑒定的基礎(chǔ)，為古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)估和維保提供依據(jù)。

木結(jié)構(gòu)損傷識別包括損傷位置識別和損傷程度識別。許多學(xué)者就損傷位置的推斷問題提出各種識別方法，但目前對古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識別的研究大多停留在構(gòu)件和方法層面。損傷程度的識別是古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)估和預(yù)防性保護的前提。損傷程度識別主要是在預(yù)設(shè)已知損傷的理想化試驗構(gòu)件（或簡易結(jié)構(gòu)）的試驗測試與理想有限元模型的對比分析的基礎(chǔ)上得出的識別方法，通過修正有限元模型得出某些關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置方法或剛度矩陣修正方法，和試驗結(jié)果對比分析，一般可以得到很好的識別結(jié)果。然而，在實際應(yīng)用中，大多數(shù)方法不能解決實際工程的復(fù)雜性和隨機性，還有較大的誤差和離散，再加上試驗者或分析者的水平等主觀因素，誤判的風(fēng)險相對較高。

2 損傷識別的方法

2.1 有限元模擬與試驗對比識別法

有限元模擬與試驗對比識別法是通過對結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或縮尺模型進行動力性能測試、振動臺測試或現(xiàn)場檢測等技術(shù)手段獲取基本參數(shù)，建立有限元模型，并通過理論分析和參數(shù)修正等對已知或未知的損傷進行識別的一種方法。但在模擬的過程中會存在著一定的誤差，如對構(gòu)件殘損或損傷的尺寸測量誤差，力學(xué)指標誤差，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的邊界條件、簡化方式等誤差，都會造成所建立的模型與實際的結(jié)構(gòu)不一致，甚至差別較大。為了盡可能讓有限元模型和實際應(yīng)用達到一致，需對模型進行一定程度的修正。如何修正有限元模型以及選擇哪些指標參數(shù)作為損傷識別的關(guān)鍵敏感性指標成為損傷識別的關(guān)鍵，選擇結(jié)果直接影響損傷識別的精度。

王娟等[1]選取損傷識別研究的對象為多層梁柱中的排架結(jié)構(gòu)，基于所建立的結(jié)構(gòu)有限元模型，對結(jié)構(gòu)的構(gòu)件采取振動響應(yīng)下靈敏度損傷識別的方法進行了三種不同損傷狀態(tài)下的數(shù)值模擬識別，并將所得的方程采用修正后的正則法進行求解。這種損傷識別方法適用于對構(gòu)件之間離散性較大的古木結(jié)構(gòu)，可以對單個構(gòu)件甚至多個構(gòu)件的損傷進行識別，在一定程度上考慮了噪聲的影響。翁順等[2]研究了基于子結(jié)構(gòu)有限元修正模型的方法。通過對少數(shù)局部子結(jié)構(gòu)有限元模型修正，除了對單一結(jié)構(gòu)進行損傷識別外，理論上也可用于對大型整體結(jié)構(gòu)的損傷識別。在損傷識別效率方面有所提高，對于單一結(jié)構(gòu)的類型有一定的適用性。但這種方法優(yōu)化求解問題效率低且情況比較復(fù)雜，識別過程比較耗時，其有限元模型修正方法在實際工程中還存在著一定的困難。

2.2 小波和小波包分析方法

小波分析可以說是傅里葉變換法的一種擴展情況，一定程度上彌補了傅立葉變換的不足。在環(huán)境激勵下，結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)往往可以看作是一個非平穩(wěn)隨機過程，并且動態(tài)響應(yīng)信號通常屬于非平穩(wěn)隨機信號，而小波分析恰好能夠?qū)Ψ瞧椒€(wěn)隨機信號進行較好地處理。小波分析不僅能對時域分析，還能對頻域分析，目前在木結(jié)構(gòu)損傷識別中應(yīng)用越來越多。

小波包分析從實際來講是小波分析中的一種延伸情況，其基本思想是將信息能量進行集中，尋找細節(jié)中的有序性，篩選分析其中的規(guī)律，繼而可以提供精細分析信號的方法。它是多層次劃分頻帶，將進一步分解小波分析中沒有細分到的高頻部分，從而提高時-頻分辨率。

Hong等[3]對結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型部分進行了連續(xù)小波變換，通過李氏指數(shù)將結(jié)構(gòu)的損傷位置進行定位，發(fā)現(xiàn)李氏指數(shù)不僅可以對損傷位置進行判斷，還可以對損傷程度進行評估。李曉凡[4]通過僅改變指定單元的損傷變量作為損傷信號，對兩種不同的小波基函數(shù)進行了分解，并將它們在結(jié)構(gòu)進行損傷識別過程中的靈敏度進行了比較，是首次將基于小波變換的損傷程度作為預(yù)警指標應(yīng)用于古建筑木結(jié)構(gòu)中，在損傷定位及損傷程度方面取得了較好的效果。丁科等[5]對多層框架結(jié)構(gòu)利用小波分析進行了模擬，指出小波變換系數(shù)能對結(jié)構(gòu)損傷位置進行判斷，但不能反映出結(jié)構(gòu)損傷程度的大小。小波分析方法在非穩(wěn)態(tài)信號和高階模態(tài)分析方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，但也有一定的局限性。目前的研究大多集中在數(shù)值例子和簡單實驗上。

秦堃[6]先對結(jié)構(gòu)建立了有限元模型，選取木結(jié)構(gòu)的小波包能量變化率作為進行損傷識別的指標，梁上各節(jié)點上的加速度響應(yīng)信號通過小波變換進行損傷定位，也可初步評估損傷程度。王鑫等[7,8]在隨機激勵作用下對古木結(jié)構(gòu)的損傷情況進行限元模擬，對各個節(jié)點上的加速度響應(yīng)信號進行分解，將小波包能量曲率差作為木結(jié)構(gòu)損傷定位的指標，從而得到損傷指標與程度兩者的函數(shù)關(guān)系式。指標具有一定的抗噪聲干擾能力，目前主要應(yīng)用于一些簡單的實際工程。

2.3 抗側(cè)移剛度法

抗側(cè)移剛度法是對結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進行一定程度地簡化，確定結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量和振動下的模型狀態(tài)，根據(jù)測點的響應(yīng)情況，確定結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)基本值的方法。薛建陽等[9]根據(jù)1:3.52的縮尺比殿堂式古建筑模型進行振動臺試驗，對不同地震的損傷下結(jié)構(gòu)模型在等效抗側(cè)剛度以及側(cè)移情況下對剛度損傷的敏感情況進行分析?；谠谥_滑移狀態(tài)下的簡化力學(xué)模型，對結(jié)構(gòu)觀測方程以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程進行了推導(dǎo)，并考慮了噪聲對試驗的影響，研究了結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)以及在柱腳滑移條件下的等效抗側(cè)剛度。此次的試驗對PLS-SVD和EKF法在古建筑木結(jié)構(gòu)等效抗側(cè)能力的在線檢測以及對震前抗倒塌方面的預(yù)警提供了依據(jù)。

2.4 超聲波法

超聲CT技術(shù)也是目前較為先進的無損檢測方法之一，可以將木構(gòu)件內(nèi)部存在的空洞情況以及裂隙發(fā)育較為直觀地表現(xiàn)出來。馬宏林等[10]采用自己研發(fā)的整套超聲檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了木構(gòu)件裂縫及孔洞情況的測試。所采用的干耦合方法，避免了耦合劑的使用，是以往超聲波法必須采用耦合劑的一種改進，從而保證了文物免受污染。通過對試塊實況及標準試塊的檢測對比，兩者吻合程度較高。將這種方法應(yīng)用到陜西的西岳廟，取得了較好的檢測效果。

2.5 應(yīng)力波法

應(yīng)力波法是以不破壞檢測對象內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和外觀功能為前提的一種無損識別法。應(yīng)力波測試儀通過對傳感器進行敲擊來判斷損傷情況，在敲擊的過程中不會破壞結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和正常使用功能，通過測試應(yīng)力波在木材中傳播的速度，拾取回波信號來對內(nèi)部缺陷情況作出判斷。應(yīng)力波的二維平面圖以及線性圖通過軟件生成，從而可以對木構(gòu)件內(nèi)部的具體殘損狀況作出分析。戴儉等[11]對具有不同形狀、不同大小的空洞的榆木試件采用FAKOPP應(yīng)力波進行研究分析，并研究了不同空洞下的應(yīng)力波對空洞面積、形狀以及波速衰減的采集情況。結(jié)果表明：空洞的不斷增大可以減小檢測面積與實際面積之間的差值,最小可達4%，同時兩者之間還存在比較顯著的線性關(guān)系。FAKOPP應(yīng)力波在進行空洞采集方面存在較大的誤差，其精度還需進一步提高。

3 結(jié)語

古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識別方法從理論上來講還不夠完善，需要進一步探究理論支撐。在試驗方面，還需要增加試驗樣本數(shù)量和種類。在有限元模擬方面，還有待進一步探索關(guān)鍵的顯著性指標，模型修正方法上還有待改進，沒有統(tǒng)一的普遍認可的修正方法。在實際應(yīng)用中，仍處于發(fā)展階段，每種損傷識別方法還有許多問題需要解決，如使用范圍限制、精讀，降噪去燥等。單種損傷識別技術(shù)存在不同情況的弊端，若綜合采用多種識別方法進行損傷識別，是否能提升損傷識別效率，提高識別精確度，取其所長，避其所短，值得后期做進一步研究探索。目前，計算智能與小波分析的結(jié)合是木結(jié)構(gòu)損傷識別方面一個較好的研究方向。與目前應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)中的損傷識別方法相比，應(yīng)用于古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識別的方法還是較少，將應(yīng)用于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、橋梁中較為嫻熟的方法，運用到古建筑木結(jié)構(gòu)中，是值得研究和探索的方向，比如基于共振頻率和反共振頻率的方法、基于共振頻率和振型的方法、基于頻響函數(shù)的方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及混合方法。因此今后應(yīng)該汲取其他的結(jié)構(gòu)損傷識別的精華部分，運用于木結(jié)構(gòu)中，以促進古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識別的發(fā)展。