鋼結(jié)構(gòu)損傷機理及檢驗方法

鋼構(gòu)造損傷機理及檢測辦法姓 名：**班 級：土木****班學(xué) 號：********摘要：本文從鋼構(gòu)造損傷機理與損傷檢測辦法入手，簡介了國內(nèi)外構(gòu)造損傷檢測辦法現(xiàn)狀，并詳細(xì)闡述了基于小波變換構(gòu)造損傷檢測辦法、基于柔度構(gòu)造損傷檢測辦法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造損傷檢測辦法等幾種構(gòu)造損傷檢測辦法。核心詞：鋼構(gòu)造損傷檢測辦法小波變換柔度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1引言重大工程諸如跨江跨海大跨度橋梁、用于大型體育賽事大跨度空間構(gòu)造、代表都市象征超高層建筑、開發(fā)江河能源大型水利工程以及核電站工程等，它們有效期長達幾十年甚至上百年，在環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和突變效應(yīng)等災(zāi)害因素共同作用下，將必可避免地浮現(xiàn)構(gòu)造系統(tǒng)損傷累積和抗力衰減，從而導(dǎo)致抵抗自然災(zāi)害甚至正常環(huán)境作用能力下降。盡管這些都是設(shè)計時可以預(yù)料到成果，但是卻無法完全考慮所有因素影響，從而無法推斷構(gòu)造內(nèi)部應(yīng)力實時狀況，也無法預(yù)知構(gòu)造隨著時間推移，在一定荷載作用下反映。因而，為了保障構(gòu)造安全性、完整性、合用性與耐久性，已建成重大工程構(gòu)造和基本設(shè)施需采用有效地技術(shù)手段監(jiān)測和評估其安全狀況，并及時修復(fù)和控制構(gòu)造損傷；而對于新建大型構(gòu)造和基本設(shè)施應(yīng)總結(jié)以往經(jīng)驗和教訓(xùn)，在工程建設(shè)同步安裝長期構(gòu)造健康監(jiān)測體系，以監(jiān)測構(gòu)造服役安全狀況，同步為研究構(gòu)造服役期間損傷演化提供有效和直接實驗平臺。2鋼構(gòu)造損傷機理及危害2.1鋼構(gòu)造穩(wěn)定問題鋼材強度遠較混凝土、砌體及其她常用構(gòu)造材料強度高，在普通建筑構(gòu)造中按容許應(yīng)力求得鋼構(gòu)造構(gòu)件所需斷面較小，因而，在多數(shù)狀況下，鋼構(gòu)造構(gòu)件截面尺寸是由穩(wěn)定控制。鋼構(gòu)造構(gòu)件失穩(wěn)分兩類：喪失整體穩(wěn)定性和喪失局部穩(wěn)定性。兩類失穩(wěn)形式都將影響構(gòu)造或構(gòu)造正常承載和使用或引起構(gòu)造其她形式破壞。影響構(gòu)造構(gòu)件整體穩(wěn)定性重要因素有：（1）構(gòu)件設(shè)計整體穩(wěn)定不滿足，即長細(xì)比不滿足規(guī)定。（2）構(gòu)件各類初始缺陷，涉及初彎矩、初偏心、熱軋和冷加工產(chǎn)生殘存應(yīng)力和殘存變形及其分布、焊接殘存應(yīng)力和殘存變形等。（3）構(gòu)件受力條件變化，如超載、節(jié)點破壞、溫度變化、基本不均勻沉降、意外沖擊荷載、構(gòu)造加固過程中計算簡圖變化等。（4）施工暫時支撐體系不夠。影響鋼構(gòu)造構(gòu)件局部失穩(wěn)重要因素有：（1）構(gòu)件局部穩(wěn)定不滿足。（2）局部受力不穩(wěn)加勁構(gòu)造辦法不合理。（3）吊裝時吊點位置選取不當(dāng)。2.2鋼構(gòu)造疲勞破壞鋼構(gòu)造在持續(xù)重復(fù)荷載下會發(fā)生疲勞破壞。在疲勞破壞之前，鋼構(gòu)件并不浮現(xiàn)明顯變形或局部頸縮，鋼材疲勞破壞是脆性破壞。疲勞破壞機理是：鋼材內(nèi)部及其外表有雜質(zhì)和損傷存在，在重復(fù)荷載作用下，在這些薄弱點附近形成應(yīng)力集中，使鋼材在很社區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生較大應(yīng)變，于是在該處一方面發(fā)生微裂，在重復(fù)荷載繼續(xù)作用下，微裂擴展，前裂口發(fā)展到一定限度，該截面上應(yīng)力超過鋼材晶粒格間結(jié)合力，于是發(fā)生脆斷。鋼材斷裂時，相應(yīng)最大應(yīng)力σmax稱為鋼材疲勞強度，疲勞強度與荷載循環(huán)次數(shù)等因素關(guān)于，構(gòu)造工程中是以二百萬次循環(huán)時產(chǎn)生疲勞斷裂最大應(yīng)力作為疲勞極限。鋼材疲勞強度與鋼材自身強度關(guān)系不大，而與構(gòu)件表面狀況、焊縫表面狀況、應(yīng)力集中、殘存應(yīng)力、焊縫缺陷等因素關(guān)于。2.3鋼構(gòu)造脆性破壞鋼構(gòu)造一種明顯特點是變形性能好，特別是當(dāng)構(gòu)件使用低碳鋼時，由于低碳鋼有明顯屈服臺階，因而鋼構(gòu)造破壞是有先兆。但是在一定條件下，鋼材會發(fā)生脆性斷裂，構(gòu)成無先兆突然破壞，這種破壞是建筑構(gòu)造設(shè)計和使用中所不容許，因而應(yīng)特別予以注意。鋼構(gòu)造脆性斷裂可提成如下幾種類別：低溫脆斷、應(yīng)力腐蝕、氫脆、疲勞破壞和斷裂破壞等。導(dǎo)致脆斷因素除低溫、腐蝕、重復(fù)荷載等外部因素之外，鋼材自身缺陷、設(shè)計不合理及施工質(zhì)量等是構(gòu)成其破壞內(nèi)因。由于脆性破壞是突發(fā)，沒有明顯預(yù)兆，因而發(fā)現(xiàn)問題加固解決是比較困難，重要是采用防止辦法，使其不產(chǎn)生脆性斷裂。2.4鋼構(gòu)造防火與防腐2.4.1鋼構(gòu)造防火 鋼構(gòu)造防火性能較差。溫度升高鋼材強度將減少，當(dāng)溫度達到550℃時，鋼材屈服強度大概降至正常溫度時屈服強度0.7。就是說，構(gòu)造即達到它強度設(shè)計值而也許發(fā)生破壞。設(shè)計中應(yīng)依照關(guān)于防火規(guī)范規(guī)定不同防火級別及不同2.4.2鋼構(gòu)造防腐蝕鋼材由于和外界介質(zhì)互相作用而產(chǎn)生損壞過程稱為腐蝕，又叫鋼材銹蝕。鋼材銹蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種。化學(xué)腐蝕是大氣或工業(yè)廢氣中含氧氣、碳酸氣、硫酸氣或非電介質(zhì)液體與鋼材表面作用（氧化作用）產(chǎn)生氧化物引起銹蝕。電化學(xué)腐蝕是由于鋼材內(nèi)部有其她金屬雜質(zhì)，具備不同電極電位，在與電介質(zhì)或水、潮濕氣體接觸時，產(chǎn)生原電池作用，使鋼材腐蝕。絕大多數(shù)鋼材銹蝕是電化學(xué)腐蝕或化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕同步作用形成。鋼材腐蝕速度與環(huán)境濕度、溫度及有害介質(zhì)濃度關(guān)于，在濕度大、溫度高、有害介質(zhì)濃度高條件下，鋼材腐蝕速度加快。3構(gòu)造損傷檢測辦法構(gòu)造損傷檢測可采用外觀目測、基于儀器設(shè)備局部損傷檢測、基于靜態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)造損傷檢測和基于動態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)造損傷檢測等辦法，它們各有特點，合用于不同工程實際。3.1損傷檢測內(nèi)容構(gòu)造在長期自然環(huán)境和使用環(huán)境雙重作用下，其功能將逐漸削弱，這是一種不可逆轉(zhuǎn)客觀規(guī)律，如果可以科學(xué)地評估這種損傷規(guī)律和限度，及時采用有效解決辦法，可以延緩構(gòu)造損傷進程，以達到延長構(gòu)造使用壽命目。鋼構(gòu)造房屋由于構(gòu)造先天缺陷及惡劣使用環(huán)境引起構(gòu)造缺陷和損傷，設(shè)計原則使用規(guī)定變化，都將導(dǎo)致原構(gòu)造可靠性變化，有時通過檢測加固后才干保證功能正常使用及保證功能變化順利進行。鋼構(gòu)造損傷檢測重要涉及如下幾種方面：3.1.1幾何量檢測裂縫檢測涉及裂縫浮現(xiàn)部位(分布)、裂縫走向、裂縫長度和寬度。觀測裂縫分布和走向，可繪制裂縫分布圖。裂縫寬度檢測重要用10倍～20倍讀數(shù)放大鏡、裂縫對比卡及塞尺等工具。裂縫長度可用鋼尺測量，裂縫深度可用極薄鋼片插入裂縫，粗略地測量，也可沿裂縫方向取芯或超聲儀檢測。判斷裂縫與否發(fā)展可用粘貼石膏法，將厚10mm左右，寬約50mm～80mm石膏餅牢固地粘貼在裂縫處，觀測石膏與否裂開；也可以在裂縫兩側(cè)粘貼幾對手持式應(yīng)變儀頭子，用手持式應(yīng)變儀量測變形與否發(fā)展。3.1.2構(gòu)造變形檢測測量構(gòu)造或構(gòu)件變形慣用儀器有水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、錘球、鋼卷尺、棉線等常規(guī)儀器以及激光測位移計、紅外線測距儀、全站儀等。構(gòu)造變形有許多類型，如梁、屋架撓度，屋架傾斜，柱子側(cè)移等需要依照測試對象采用不同辦法和儀器。測量小跨度梁、屋架撓度時，可用拉鐵絲簡樸辦法，也可選用基準(zhǔn)點用水準(zhǔn)儀測量。屋架傾斜變位測量，普通在屋架中部拉桿處，從上弦固定吊錘到下弦處，量測其傾斜值，并記錄傾斜方向。3.1.3構(gòu)造材料性能檢測對鋼材性能檢測重要是指裂紋、孔洞、夾渣等。對焊縫重要是指夾渣、氣泡、咬邊、燒穿、漏焊、未焊透以及焊腳尺寸局限性等；對鉚釘或螺栓重要是指漏鉚、漏檢、錯位、錯排及掉頭。檢測辦法重要是外觀檢查、x射線、超聲波探傷、磁粉探傷辦法和滲入探傷辦法檢查。超聲法用于金屬材料探測規(guī)定頻率高，功率不必太大，這樣測試敏捷度高，測試精度好。超聲波探傷普通采用縱波探傷和橫波探傷(重要用于焊縫探傷)兩種辦法。超聲波對鋼構(gòu)造檢測，規(guī)定測點平整光滑。3.2基于小波變換構(gòu)造損傷檢測辦法小波變換時近20近年來發(fā)展起來一種新強大信號時頻分析辦法。小波分析辦法是一種窗口大小固定但其形狀可變化時頻局部化分析辦法。在低頻某些具備較高頻率辨別率和較低時間辨別率，在高頻某些具備較高時間辨別率和較低頻率辨別率，被譽為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。正式這種特性，使它具備對信號自適應(yīng)性，因而越來越廣泛地被運用于實際功臣。小波變換思想來源于伸縮與平移辦法。小波分析辦法提出，最早源于19Haar提出正交基（這是一組非正則基）。小波分析用于構(gòu)造損傷辨認(rèn)，具備天然優(yōu)勢：一方面，實際工程中構(gòu)造實測信號不可避免地混有噪聲和干擾，小波變換可以同步在時域和頻域?qū)π盘栠M行分析，區(qū)別信號中有效成分和噪聲干擾成分，實現(xiàn)信號消噪，完畢信號預(yù)解決；另一方面，運用小波良好時頻辨別能力以及帶通濾波性質(zhì)可以使系統(tǒng)自動解耦，然后再從脈沖響應(yīng)函數(shù)小波變換出發(fā)辨認(rèn)模態(tài)參數(shù)。3.2.1小波變換基本理論小波（wavelet），即社區(qū)域波，是一種特殊有限長度、平均值為0波形。如果函數(shù)滿足則稱為一基本小波或母小波，式中是傅里葉變換。通過平移和伸縮可以得到一族小波基。這里為尺度因子，為平移因子，且，普通把持續(xù)小波中尺度參數(shù)和平移因子離散化，取，在這里，步長，普通取，因而，對離散小波變換可以寫成離散小波系數(shù)變換可表達為普通取，，則小波為3.2.2小波奇異性檢測原理如果一種函數(shù)在點不可微，則闡明它在點是奇異（故障信號），現(xiàn)將Lipschitz指數(shù)引申到，以度量函數(shù)奇異性。定義1令，如果存在一種常數(shù)，使，成立，則稱在是Lipschitz。如對和一種與無關(guān)常數(shù)，使得上式成立，則稱在區(qū)間是一致Lipschitz。上界值稱為Lipschitz奇異性。如在點可微，則其Lipschitz指數(shù)至少為1，粗略地說，如，則上式可以改寫為，當(dāng)時，不等式左邊事實上就是在點一階導(dǎo)數(shù)，取，則上式成立。如在點不持續(xù)但在鄰域有界，則其Lipschitz指數(shù)為0。當(dāng)時，上式成為,左面最多等于在點躍度，取等于或不不大于躍度，則式成立。還可以將Lipschitz指數(shù)推廣到負(fù)數(shù)狀況，并可以清晰地看出，Lipschitz指數(shù)的確能在更普通意義下定量地描述函數(shù)奇異性。需注意，采用某種小波計算出來Lipschitz指數(shù)越趨近于零，那么該小波對檢測奇異信號越具備良好效果。3.3基于柔度構(gòu)造損傷檢測辦法對于一種構(gòu)造系統(tǒng)來說，只要系統(tǒng)運營狀態(tài)發(fā)生了變化，就必然影響到與之互相聯(lián)系各個物理參量，損傷與各物理參量之間關(guān)系強弱不同，只有那些與損傷關(guān)系緊密即對損傷敏感物理參量才干被用于進行構(gòu)造損傷檢測。將這些對損傷敏感物理參量叫做敏感參數(shù)，構(gòu)造損傷檢測核心就是找到與損傷敏感參數(shù)，柔度曲率幅值突變系數(shù)法就是對鋼構(gòu)造損傷敏感一種損傷診斷辦法。下面簡介其基本原理。由模態(tài)分析可知，構(gòu)造剛度矩陣和構(gòu)造柔度矩陣可以用模態(tài)參數(shù)表達為式中，為構(gòu)造剛度矩陣；為構(gòu)造柔度矩陣；為構(gòu)造質(zhì)量矩陣；為質(zhì)量歸一振型向量。由式(1)和(2)可以看出，模態(tài)參數(shù)對剛度矩陣貢獻與自振頻率平方成正比，因而，用實驗?zāi)B(tài)參數(shù)較為精準(zhǔn)預(yù)計構(gòu)造剛度矩陣，必要獲得較高階模態(tài)參數(shù)。相反，模態(tài)參數(shù)對柔度矩陣貢獻與自振頻率平方成反比，模態(tài)實驗中只需獲得較低階模態(tài)參數(shù)，就可以較好得到構(gòu)造柔度矩陣。損傷構(gòu)造柔度矩陣為從數(shù)學(xué)上來看，曲率反映了函數(shù)隨節(jié)點變化激烈限度，損傷單元柔度曲率比無損傷單元柔度曲率大。因而，柔度曲率較柔度差值更能反映構(gòu)造損傷位置。由有限元中心差分法可以得到構(gòu)造損傷先后柔度曲率分別為式中，為相鄰兩計算點間距離。依照式(4)、(5)就可以求出構(gòu)造損傷先后柔度曲率，比較損傷先后柔度曲率就可以得到構(gòu)造柔度曲率差值，即構(gòu)造柔度差值曲率是基于柔度曲率產(chǎn)生，構(gòu)造發(fā)生損傷先后柔度矩陣分別為和，那么，柔度矩陣變化量為柔度差值曲率表達為在已知損傷構(gòu)造柔度曲率基本上，為了進一步明確柔度曲率和構(gòu)造損傷之間關(guān)系，可以導(dǎo)出柔度曲率幅值突變系數(shù)，該系數(shù)表達為式中，為柔度曲率幅值突變系數(shù)；，，分別為損傷點和相應(yīng)柔度曲率值。3.4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造損傷檢測辦法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于構(gòu)造損傷檢測中取，是近幾十年來十分活躍應(yīng)用領(lǐng)域之一?？倎碚f，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之因此可以成功地應(yīng)用于構(gòu)造損傷檢測領(lǐng)域，重要基于如下兩個方面因素：（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對先驗知識需求寬松，具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、聯(lián)想、記憶、和模式匹配能力。訓(xùn)練過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能存儲關(guān)于過程知識，能直接從定量歷史損傷信息中學(xué)習(xí)。可以依照對象正常歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，然后將此信息與當(dāng)前測量數(shù)據(jù)進行模式匹配與比較，從而擬定損傷狀態(tài)。（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備濾除噪聲和在有噪聲狀況下得出對的結(jié)論能力。訓(xùn)練好神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在有噪聲環(huán)境中有效地工作，實時性、魯棒性強。這種濾除噪聲能力使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特別適合于在線損傷辨認(rèn)和健康檢測。當(dāng)前，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷辨認(rèn)辦法已經(jīng)研究得越來越進一步。在損傷辨認(rèn)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辦法有兩種途徑，一種是直接運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完畢損傷模式分類和損傷狀態(tài)預(yù)計；另一種是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其她損傷辨認(rèn)辦法相結(jié)合，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為整個損傷辨認(rèn)系統(tǒng)中某個子系統(tǒng)完畢所需特殊功能。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)造損傷辨認(rèn)基本思想是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于損傷辨認(rèn)重要是運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式辨認(rèn)功能，而模式辨認(rèn)就是將理論分析得到損傷模式特性庫與實測模式進行匹配。應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行構(gòu)造損傷辨認(rèn)普通過程為：（1）選定一種網(wǎng)絡(luò)模型，并選取對構(gòu)造損傷敏感參數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)輸入向量，構(gòu)造損傷狀態(tài)作為輸出。對構(gòu)造進行正問題分析，獲得構(gòu)造不同損傷狀態(tài)下動力特性，據(jù)此構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本，建立損傷分類樣本集。（2）將學(xué)習(xí)樣本送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，建立輸入?yún)?shù)與構(gòu)造損傷狀態(tài)之間映射關(guān)系，得到用于構(gòu)造損傷辨認(rèn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。（3）對損傷辨認(rèn)目的構(gòu)造進行測試，獲得構(gòu)造動力特性參數(shù)，并按照輸入?yún)?shù)詳細(xì)狀況進行解決，輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行損傷辨認(rèn)，得到構(gòu)造實際損傷狀態(tài)信息。3.5其他構(gòu)造損傷檢測辦法除上述幾種構(gòu)造損傷檢測辦法外，應(yīng)用較多診斷辦法尚有基于固有頻率變化損傷檢測、基于振型變化損傷檢測、基于振型曲率變化損傷檢測、基于殘存力向量損傷檢測、基于壓電阻抗損傷檢測等等，在此就不一一贅述。4總結(jié)由于設(shè)計、施工、管理、環(huán)境腐蝕、自然災(zāi)害等因素，構(gòu)造將不可避免地發(fā)生老化、破損、裂縫等現(xiàn)象，這就規(guī)定構(gòu)造健康監(jiān)測與安全評價系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)損傷并作出預(yù)警。本文著重對鋼構(gòu)造損傷機理及損傷檢測理論、辦法進行了研究，重要簡介了基于小波變換構(gòu)造損傷檢測辦法、基于柔度構(gòu)造損傷檢測辦法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造損傷檢測辦法等三種損傷檢測辦法，對國內(nèi)外損傷辨認(rèn)辦法現(xiàn)狀做了簡樸評述。參照文獻[1]朱宏平.構(gòu)造損傷檢測智能辦法[M].北京:人民交通出版社,.[2]袁穎,周愛紅.構(gòu)造損傷辨認(rèn)理論及其應(yīng)用[M].北京:中華人民共和國大地出版社,.[3]李愛群,丁幼亮.工程構(gòu)造損傷預(yù)警理論及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,.[4]張悅,杜守軍,張麗梅.小波奇異性在鋼構(gòu)造損傷檢測中應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,,31(4):151-157.[5]孫榮玲,韓應(yīng)軍.鋼構(gòu)造損傷檢測與加固[J].山西建筑,,33(8):85-86.[6]武永彩,劉浩.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平面鋼桁架構(gòu)造損傷辨認(rèn)研究[J].國外建材科技,,28:85-88.[7]張麗梅,杜守軍.基于