钢结构损伤机理及检测方法

钢结构损伤机理理理及检测测方法法姓名：***班级：土木木*****班学号：***********摘要：本文从钢钢钢结构损损伤机机理与损损伤检检测方法法入手手，介绍绍了国国内外结结构损损伤检测测方法法的现状状，并并详细阐阐述了了基于小波波变变换的结结构损损伤检测方法、基基于柔度度的结结构损伤伤检测测方法、基基于于神经网网络的的结构损损伤检检测方法等等几种结结构损伤伤检测测方法。关键词：钢结构构构损伤检测测方法小波变换换柔柔度神经网络络1引言重大工程诸如跨跨跨江跨海海的大大跨度桥桥梁、用用于大型型体育育赛事的的大跨跨度空间间结构构、代表表城市市象征的的超高高层建筑筑、开开发江河河能源源的大型型水利利工程以以及核核电站工工程等等，它们们的使使用期长长达几几十年甚甚至上上百年，在在环环境侵蚀蚀、材材料老化化和荷荷载的长长期效效应、疲疲劳效效应和突突变效效应等灾灾害因因素的共共同作作用下，将将必必可避免免地出出现结构构系统统的损伤伤累积积和抗力力衰减减，从而而导致致抵抗自自然灾灾害甚至至正常常环境作作用的的能力下下降。尽尽管这些些都是是设计时时能够够预料到到的结结果，但但是却却无法完完全考考虑所有有因素素的影响响，从从而无法法推断断结构内内部应应力的实实时状状况，也也无法法预知结结构随随着时间间的推推移，在在一定定荷载作作用下下的反应应。因此，为了保障障障结构的的安全全性、完完整性性、适用用性与与耐久性性，已已建成的的重大大工程结结构和和基础设设施需需采用有有效地地技术手手段监监测和评评定其其安全状状况，并并及时修修复和和控制结结构损损伤；而而对于于新建的的大型型结构和和基础础设施应应总结结以往的的经验验和教训训，在在工程建建设的的同时安安装长长期的结结构健健康监测测体系系，以监监测结结构的服服役安安全情况况，同同时为研研究结结构服役役期间间的损伤伤演化化提供有有效和和直接的的实验验平台。2钢结构损伤伤机机理及危害害害2.1钢结构构构的稳定定问题题钢材的强度远较较较混凝土土、砌砌体及其其他常常见结构构材料料的强度度高，在在通常的的建筑筑结构中中按允允许应力力求得得的钢结结构构构件所需需的断断面较小小，因因此，在在多数数情况下下，钢钢结构构构件的的截面尺尺寸是是由稳定定控制制的。钢钢结构构构件的的失稳稳分两类类：丧丧失整体体稳定定性和丧丧失局局部稳定定性。两两类失稳稳形式式都将影影响结结构或构构造的的正常承承载和和使用或或引发发结构的的其他他形式破破坏。影响结构构件整整整体稳定定性的的主要原原因有有：（1）构件设计计的的整体稳定定定不满足足，即即长细比比不满满足要求求。（2）构件的各各类类初始缺陷陷陷，包括括初弯弯矩、初初偏心心、热轧轧和冷冷加工产产生的的残余应应力和和残余变变形及及其分布布、焊焊接残余余应力力和残余余变形形等。（3）构件受力力条条件的改变变变，如超超载、节节点的破破坏、温温度的变变化、基基础的不不均匀匀沉降、意意外外的冲击击荷载载、结构构加固固过程中中计算算简图的的改变变等。（4）施工临时时支支撑体系不不不够。影响钢结构构件件件局部失失稳的的主要原原因有有：（1）构件局部部稳稳定的不满满满足。（2）局部受力力不不稳加劲构构构造措施施不合合理。（3）吊装时吊吊点点位置选择择择不当。2.2钢结构构构的疲劳劳破坏坏钢结构在持续反反反复荷载载下会会发生疲疲劳破破坏。在在疲劳劳破坏之之前，钢钢构件并并不出出现明显显的变变形或局局部的的颈缩，钢钢材材的疲劳劳破坏坏是脆性性破坏坏。疲劳劳破坏坏的机理理是：：钢材内内部及及其外表表有杂杂质和损损伤存存在，在在反复复荷载作作用下下，在这这些薄薄弱点附附近形形成应力力集中中，使钢钢材在在很小的的区域域内产生生较大大的应变变，于于是在该该处首首先发生生微裂裂，在反反复荷荷载继续续作用用下，微微裂扩扩展，前前裂口口发展到到一定定程度，该该截截面上的的应力力超过钢钢材晶晶粒格间间的结结合力，于于是是发生脆脆断。钢材断裂时，相相相应的最最大应应力σmax称为为钢钢材的疲疲劳强强度，疲疲劳强强度与荷荷载循循环次数数等因因素有关关，结结构工程程中是是以二百百万次次循环时时产生生疲劳断断裂的的最大应应力作作为疲劳劳极限限。钢材材的疲疲劳强度度与钢钢材本身身的强强度关系系不大大，而与与构件件表面情情况、焊焊缝表面面情况况、应力力集中中、残余余应力力、焊缝缝缺陷陷等因素素有关关。2.3钢结构构构的脆性性破坏坏钢结构的一个显显显著的特特点是是变形性性能好好，特别别是当当构件使使用低低碳钢时时，由由于低碳碳钢有有明显的的屈服服台阶，因因此此钢结构构的破破坏是有有先兆兆的。但但是在在一定条条件下下，钢材材会发发生脆性性断裂裂，构成成无先先兆的突突然破破坏，这这种破破坏是建建筑结结构设计计和使使用中所所不允允许的，因因此此应特别别予以以注意。钢结构脆性断裂裂裂可分成成以下下几个类类别：：低温脆脆断、应应力腐蚀蚀、氢氢脆、疲疲劳破破坏和断断裂破破坏等。造造成成脆断的的原因因除低温温、腐腐蚀、反反复荷荷载等外外部因因素之外外，钢钢材本身身的缺缺陷、设设计不不合理及及施工工质量等等是构构成其破破坏的的内因。由由于于脆性破破坏是是突发的的，没没有明显显的预预兆，因因此发发现问题题加固固处理是是比较较困难的的，主主要是采采取预预防措施施，使使其不产产生脆脆性断裂裂。2.4钢结构构构的防火火与防防腐2.4.1钢钢钢结构防防火钢结构防火性能能能较差。温温度度升高钢钢材强强度将降降低，当当温度达达到550℃时，钢材材的的屈服强强度大大约降至至正常常温度时时屈服服强度的0.7。就是说说，结结构即达达到它它的强度度设计计值而可可能发发生破坏坏。设设计中应应根据据有关防防火规规范规定定的不不同防火火等级级及不同同使用用要求，使使建建筑结构构能满满足相应应防火火标准的的要求求。2.4.2钢结结结构防腐腐蚀钢材由于和外界界界介质相相互作作用而产产生的的损坏过过程称称为腐蚀蚀，又又叫钢材材锈蚀蚀。钢材材锈蚀蚀分为化化学腐腐蚀和电电化学学腐蚀两两种。化化学腐蚀蚀是大大气或工工业废废气中含含的氧氧气、碳碳酸气气、硫酸酸气或或非电介介质液液体与钢钢材表表面作用用（氧氧化作用用）产产生氧化化物引引起的锈锈蚀。电电化学腐腐蚀是是由于钢钢材内内部有其其他金金属杂质质，具具有不同同电极极电位，在在与与电介质质或水水、潮湿湿气体体接触时时，产产生原电电池作作用，使使钢材材腐蚀。绝绝大大多数钢钢材锈锈蚀是电电化学学腐蚀或或化学学腐蚀与与电化化学腐蚀蚀同时时作用形形成。钢钢材的腐腐蚀速速度与环环境湿湿度、温温度及及有害介介质浓浓度有关关，在在湿度大大、温温度高、有有害害介质浓浓度高高的条件件下，钢钢材腐蚀蚀速度度加快。3结构损伤检检测测方法结构损伤检测可可可采用外外观目目测、基基于仪仪器设备备的局局部损伤伤检测测、基于于静态态数据的的结构构损伤检检测和和基于动动态数数据的结结构损损伤检测测等方方法，它它们各各有特点点，适适用于不不同的的工程实实际。3.1损伤检检检测内容容结构在长期的自自自然环境境和使使用环境境的双双重作用用下，其其功能将将逐渐渐减弱，这这是是一个不不可逆逆转的客客观规规律，如如果能能够科学学地评评估这种种损伤伤的规律律和程程度，及及时采采取有效效的处处理措施施，可可以延缓缓结构构损伤的的进程程，以达达到延延长结构构使用用寿命的的目的的。钢结结构房房屋由于于结构构的先天天缺陷陷及恶劣劣使用用环境引引起的的结构缺缺陷和和损伤，设设计计标准使使用要要求的改改变，都都将导致致原结结构可靠靠性的的改变，有有时时经过检检测加加固后才才能保保证功能能的正正常使用用及保保证功能能改变变的顺利利进行行。钢结结构的的损伤检检测主主要包括括以下下几个方方面：：3.1.1几何何何量检测测裂缝的检测包括括括裂缝出出现的的部位(分布)、裂缝的的走走向、裂裂缝的的长度和和宽度度。观察察裂缝缝的分布布和走走向，可可绘制制裂缝分分布图图。裂缝缝宽度度的检测测主要要用10倍～20倍读数数放放大镜、裂裂缝缝对比卡卡及塞塞尺等工工具。裂裂缝长度度可用用钢尺测测量，裂裂缝深度度可用用极薄的的钢片片插入裂裂缝，粗粗略地测测量，也也可沿裂裂缝方方向取芯芯或超超声仪检检测。判判断裂缝缝是否否发展可可用粘粘贴石膏膏法，将将厚10mmm左右，宽宽约50mmm～80mmmm的石膏饼饼牢牢固地粘粘贴在在裂缝处处，观观察石膏膏是否否裂开；；也可可以在裂裂缝的的两侧粘粘贴几几对手持持式应应变仪的的头子子，用手手持式式应变仪仪量测测变形是是否发发展。3.1.2结构构构变形检检测测量结构或构件件件变形常常用仪仪器有水水准仪仪、经纬纬仪、锤锤球、钢钢卷尺尺、棉线线等常常规仪器器以及及激光测测位移移计、红红外线线测距仪仪、全全站仪等等。结结构变形形有许许多类型型，如如梁、屋屋架的的挠度，屋屋架架倾斜，柱柱子子侧移等等需要要根据测测试对对象采用用不同同的方法法和仪仪器。测测量小小跨度的的梁、屋屋架挠度度时，可可用拉铁铁丝的的简单方方法，也也可选取取基准准点用水水准仪仪测量。屋屋架架的倾斜斜变位位测量，一一般般在屋架架中部部拉杆处处，从从上弦固固定吊吊锤到下下弦处处，量测测其倾倾斜值，并并记记录倾斜斜方向向。3.1.3结构构构材料性性能检检测对钢材性能检测测测主要是是指裂裂纹、孔孔洞、夹夹渣等。对对焊焊缝主要要是指指夹渣、气气泡泡、咬边边、烧烧穿、漏漏焊、未未焊透以以及焊焊脚尺寸寸不足足等；对对铆钉钉或螺栓栓主要要是指漏漏铆、漏漏检、错错位、错错排及掉掉头。检检测方法法主要要是外观观检查查、x射线、超超声声波探伤伤、磁磁粉探伤伤方法法和渗透透探伤伤方法检检查。超超声法用用于金金属材料料的探探测要求求频率率高，功功率不不必太大大，这这样测试试灵敏敏度高，测测试试精度好好。超超声波探探伤通通常采用用纵波波探伤和和横波波探伤(主要用于于焊焊缝探伤伤)两种方法法。超超声波对对钢结结构检测测，要要求测点点平整整光滑。3.2基于小波波波变换的的结构构损伤检检测方方法小波变换时近2220多年来来发发展起来来的一一种新的的强大大的信号号时频频分析方方法。小小波分析析方法法是一种种窗口口大小固固定但但其形状状可改改变的时时频局局部化分分析方方法。在在低频频部分具具有较较高的频频率分分辨率和和较低低的时间间分辨辨率，在在高频频部分具具有较较高的时时间分分辨率和和较低低的频率率分辨辨率，被被誉为为“数学显微微镜”。正式这这种种特性，使使它它具有对对信号号的自适适应性性，因而而越来来越广泛泛地被被运用于于实际际功臣。小波变换的思想想想来源于于伸缩缩与平移移方法法。小波波分析析方法的的提出出，最早早源于于1910年Haarr提出出的正交交基（这这是一组组非正正则基）。小小波分析用于于结构损伤识识别，具有天天然的优势：：一方面，实实际工程中结结构的实测信信号不可避免免地混有噪声声和干扰，小小波变换可以以同时在时域域和频域对信信号进行分析析，区分信号号中的有效成成分和噪声干干扰成分，实实现信号消噪噪，完成信号号预处理；另另一方面，利利用小波良好好的时频分辨辨能力以及带带通滤波性质质可以使系统统自动解耦，然然后再从脉冲冲响应函数的的小波变换出出发识别模态态参数。3.2.1小小小波变换换基本本理论小波（waveeelett），即即小区域域的波波，是一一种特特殊的有有限长长度、平平均值值为0的波形。如如如果函数数满足足则称为一基本小小小波或母母小波波，式中中是的傅里叶叶变变换。经过过平平移和伸伸缩可可以得到到一族族小波基基。这里为尺度因子子子，为平移移因因子，且，通常把连连续续小波中中的尺尺度参数数和平移因子子离离散化，取取，在在这里，步步长长，通常取取，因因此，对对离散散小波变变换可可以写成成离散小波系数变变变换可表表示为为通常取，，则小小小波为3.2.2小小小波奇异异性检检测原理理如果一个函数在在在点不可微微，则则说明它它在点点是奇异异（故故障信号号）的的，现将Lippsschiitzz指数引申申到到，以度量函函数数的奇异异性。定义1令，如如果存在在一个个常数，使使，成立，则称在是是是Lipsscchittz的的。如对对和一一个与无关关的的常数，使使得得上式成成立，则则称在区间间是一致致Lipsscchittz的的。的上界界值值称为Liippschhittz的奇异异性性。如在点可微，则则则其Lippsschiitzz指数至少少为为1，粗略地地说说，如，则则上上式可以以改写写为，当时，不等式式式的左边边实际际上就是是在点点的一阶导导数数，取，则上上式式成立。如在点不连续但但但在的邻域域有有界，则则其LLipsschhitzz指数数为0。当时，上上式式成为,左面最多多等等于在点的跃度度，取取等于或大大于于跃度，则则式式成立。还还可可以将Liippschhittz指数推推广广到负数数的情情况，并并可以以清楚地地看出出，Lippsschiitzz指数确实实能能在更一一般的的意义下下定量量地描述述函数数的奇异异性。需需注意，采采用用某种小小波计计算出来来的LLipsschhitzz指数数越趋近近于零零，那么么该小小波对检检测奇奇异信号号越具具有良好好的效效果。3.3基于柔柔柔度的结结构损损伤检测测方法法对于一个结构系系系统来说说，只只要系统统的运运行状态态发生生了变化化，就就必定影影响到到与之相相互联联系的各各个物物理参量量，损损伤与各各物理理参量之之间的的关系强强弱不不同，只只有那那些与损损伤关关系紧密密即对对损伤敏敏感的的物理参参量才才能被用用于进进行结构构损伤伤检测。将将这这些对损损伤敏敏感的物物理参参量叫做做敏感感参数，结结构构损伤检检测的的关键就就是找找到与损损伤敏敏感的参参数，柔柔度曲率率幅值值突变系系数法法就是对对钢结结构损伤伤敏感感的一种种损伤伤诊断方方法。下下面介绍绍其基基本原理理。由模态分析可知知知，结构构的刚刚度矩阵阵和结结构的柔柔度矩矩阵可以以用模模态参数数表示示为式中，为结构刚刚刚度矩阵阵；为为结构柔柔度矩矩阵；为结结构构质量矩矩阵；；为质量归归一一的振型型向量量。由式式(1)和(2)可以看看出出，模态态参数数对刚度度矩阵阵的贡献献与自自振频率率的平平方成正正比，因因此，用用实验验模态参参数较较为精确确的估估计结构构刚度度矩阵，必必须须获得较较高阶阶模态参参数。相相反，模模态参参数对柔柔度矩矩阵的贡贡献与与自振频频率的的平方成成反比比，模态态实验验中只需需获得得较低阶阶模态态参数，就就可可以较好好的得得到结构构的柔柔度矩阵阵。损伤结构的柔度度度矩阵为为从数学上来看，曲曲率反映了函函数随节点变变化的剧烈程程度，损伤单单元的柔度曲曲率比无损伤伤单元的柔度度曲率大。因因此，柔度曲曲率较柔度差差值更能反映映结构损伤的的位置。由有有限元的中心心差分法可以以得到结构损损伤前后的柔柔度曲率分别别为式中，为相邻两两两计算点点间的的距离。根据式(4)、(5)就可以以求求出结构构损伤伤前后的的柔度度曲率，比比较较损伤前前后的的柔度曲曲率就就可以得得到结结构的柔柔度曲曲率差值值，即即结构的柔度差值值值曲率是是基于于柔度曲曲率产产生的，结结构构发生损损伤前前后的柔柔度矩矩阵分别别为和和，那么，柔柔柔度矩阵阵的改改变量为为柔度差值曲率表表表示为在已知损伤结构构构柔度曲曲率的的基础上上，为为了进一一步明明确柔度度曲率率和结构构损伤伤之间的的关系系，可以以导出出柔度曲曲率幅幅值突变变系数数，该系数数表表示为式中，为柔度曲曲曲率幅值值突变变系数；；，，分别为损损伤伤点和相相应的的柔度曲曲率值值。3.4基于神神神经网络络的结结构损伤伤检测测方法神经网络应用于于于结构损损伤检检测中取取，是是近几十十年来来十分活活跃的的应用领领域之之一。总总的来来说，神神经网网络之所所以可可以成功功地应应用于结结构损损伤检测测领域域，主要要基于于以下两两个方方面的原原因：：（1）神经网络络对对先验知识识识需求宽宽松，具具有自学学习、自自适应、联联想想、记忆忆、和和模式匹匹配的的能力。训训练练过的神神经网网络能存存储有有关过程程的知知识，能能直接接从定量量的历历史损伤伤信息息中学习习。可可以根据据对象象的正常常历史史数据训训练网网络，然然后将将此信息息与当当前测量量数据据进行模模式匹匹配与比比较，从从而确定定损伤伤的状态态。（2）神经网络络具具有滤除噪噪噪声和在在有噪噪声的情情况下下得出正正确结结论的能能力。训训练好的的神经经网络能能在有有噪声的的环境境中有效效地工工作，实实时性性、鲁棒棒性强强。这种种滤除除噪声的的能力力使得神神经网网络特别别适合合于在线线损伤伤识别和和健康康检测。目前，基于神经经经网络的的损伤伤识别方方法已已经研究究得越越来越深深入。在在损伤识识别中中采用神神经网网络方法法有两两种途径径，一一种是直直接利利用神经经网络络完成损损伤模模式的分分类和和损伤状状态的的估计；；另一一种是将将神经经网络与与其他他损伤识识别方方法相结结合，神神经网络络作为为整个损损伤识识别系统统中的的某个子子系统统完成所所需的的特殊功功能。神经网络用于结结结构损伤伤识别别的基本本思想想是：神神经网网络用于于损伤伤识别主主要是是利用神神经网网络模式式识别别功能，而而模模式识别别就是是将理论论分析析得到的的损伤伤模式特特征库库与实测测的模模式进行行匹配配。应用用人工工神经网网络技技术进行行结构构损伤识识别的的一般过过程为为：（1）选定一种种网网络模型，并并选择对结构构损伤敏感的的参数作为网网络的输入向向量，结构的的损伤状态作作为输出。对对结构进行正正问题分析，获获得结构不同同损伤状态下下的动力特性性，据此构造造神经网络的的学习样本，建建立损伤分类类样本集。（2）将学习样样本本送入神经经经网络进进行训训练，建建立输输入参数数与结结构损伤伤状态态之间的的映射射关系，得得到到用于结结构损损伤识别别的神神经网络络。（3）对损伤识识别别目标结构构构进行测测试，获获得结构构动力力特性参参数，并并按照输输入参参数的具具体情情况进行行处理理，输入入神经经网络进进行损损伤识别别，得得到结构构的实实际损伤伤状态态信息。3.5其它结结结构损伤伤检测测方法除上述几种结构构构损伤检检测方方法外，应应用用较多的的诊断断方法还还有基基于固有有频率率变化的的损伤伤检测、基基于于振型变变化的的损伤检检测、基基于振型型曲率率变化的的损伤伤检测、基基于于残余力力向量量的损伤伤检测测、基于于压电电阻抗的的损伤伤检测等等等，在在此就不不一一一赘述。4总结由于设计、施工工工、管理理、环环境腐蚀蚀、自自然灾害害等原原因，结结构将将不可避避免地地发生老老化、破破损、裂裂缝等等现象，这这就就要求结结构健健康监测测与安安全评价价系统统能及时时发现现损伤并并作出出预警。本本文文着重对对钢结结构损伤伤机理理及损伤伤检测测理论、方方法法进行了了研究究，主要要介绍绍了基于于小波波变换的的结构构损伤检检测方方法、基基于柔柔度的结结构损损伤检测测方法法、基于于神经经网络的的结构构损伤检检测方方法等三三种损损伤检测测方法法，对国国内外外的损伤伤识别别方法的的现状状做了简简单的的评述。参考文献[1]朱宏平...结构损伤伤检检测的智智能方方法[M].北京:人民交通通出出版社,200099.[2]袁颖,周周周爱红.结构损伤伤识识别理论论及其其应用[M].北京:中国大地地出出版社,200088.[3]李爱群,,,丁幼亮.工程结构构损损伤预警警理论论及其应应用[M].北京:科学出版版社,200077.[4]张悦,杜杜杜守军,张丽梅.小波奇异异性性在钢结结构损损伤检测测中的的应用[J].河北科技技大大学学报,201100,311(44):11511-1557..[5]孙荣玲,,,韩应军.钢结构损损伤伤检测与与加固固[J].山西建筑,200077,333(88):885--86..[6]武永彩,,,刘浩.基于神经经网网络的平平面钢钢桁架结结构损损伤识别别研究究[J].国外建材材科科技,200077,288:8