土木工程试验检测技术论文(2)
土木工程试验检测技术论文篇二
浅谈土木工程损伤检测技术
摘要：任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护等因素的影响而失效，对土木工程结构进行有效损伤检测能够地诊断出缺陷(裂纹，锈蚀等)的位置和程度，使结构能得到及时的修复和加固，以确保结构的可靠性。随着结构的老化及病害事例的增多，土木工程损伤检测技术的重要性己逐渐被人们认识。因此结构健康监测技术应运而生。
关键词：损伤检测，土木工程，健康监测
0 引言
任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护等因素的影响而失效，对土木工程结构进行有效损伤检测能够地诊断出缺陷(裂纹，锈蚀等)的位置和程度，使结构能得到及时的修复和加固，以确保结构的可靠性。随着结构的老化及病害事例的增多，土木工程损伤检测技术的重要性己逐渐被人们认识。随着科学技术的不断发展，土木工程结构的损伤检测技术从方法简单的原始专家经验方法过渡到依靠科学仪器检测的规范方法。对既有结构物的可靠性评定，也已越来越依赖仪器进行检测和实验了。传统的损伤检测方法主要包括外观检查、微破损检测、现场荷载试验，以及在特殊情况下进行抽样破坏性试验等。一般来说，传统检查的方法对结构具有一定的破坏性，且难以得到结构的全面信息，尤其是结构中的隐蔽部位。而且检查结果的准确程度往往依赖于检查者的工程经验和主观判断，难以对结构的安全储备及退化的途径做出系统的评估。于是近十几年来，国内外学者一直在寻找能更为方便快捷的检测方法。目前普遍认可的一种最有前途的方法就是结合系统识别、振动理论、动测试技术、信号采集与分析、智能型传感器等跨学科技术的试验模态分析法，这种方法在发达国家己被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、载识别和动力修改等问题之中。
目前，这种基于现代检测技术的损伤检测方法也应用到土木工程领域中。这种方法总体上可以分为两类：即静态检测方法和动态检测方法。其中静态检测方法有射线检测法、超声波检测法、声发射检测法、雷达波检测法、红外检测法等。而动态检测方法主要是基于结构振动的损伤识别方法。
1 静态检测方法
(1)射线法：是利用 x 射线或 γ 射线以及中子射线易于穿透物体，且在穿透过程中
受到吸收和散射而衰减的性质，在感光材料中获取与材料内部结构和缺陷相对应的透射相片，从而检测出物体内部的缺陷情况。这种方法的缺点是所需的设备笨重，且对建筑物有一定程度的破坏(如需要钻孔放置底片等)。而且，由于建筑物对 x 射线或 γ射线的吸收问题，使得穿透深度很小而得不到广泛应用。因此，这种方法对于大型建筑物或大型横梁、桥墩、水库堤坝的非破损检测效果不理想。
(2)声发射检测法：是利用物体受到外力或内力作用产生变形或断裂，造成应力松弛，储存的部分能量以应力波形式释放出来的现象。声发射应力波的声源是物体内部的微裂纹、位错或内部有微观、宏观变化的部位。因此，声发射是从获得的信号中探求声源性质的方法。该方法自1964年声发射被首次证明可用于工程结构以来，有关声发射的研究比较缓慢，主要原因是声发射信号的复杂多变难以提取和易受外界干扰造成信息的失真。
(3)超声波法：是一种应用十分广泛的无损检测方法，其基本原理是利用超声波在介质中的传播特性，依据声学规律，超声波的声学量，如超声声速、传播时间、超声衰减和频谱等与物体的几何、力学量相联系，因此，通过分析超声波波形特点和测量这些声学量来确定物体或材料得几何、力学特性及内部缺陷的大小和方位。一般来说，它只适用于检查几何形状比较简单的小型构件。
(4)雷达波法：是利用发射天线将高频电磁波(10-2000MHz)以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体反射后回到表面，回波信号由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形通过介质的电性性质及几何形态变化，根据接收反射回波的双程走时，幅度和相位等信息，对介质的内部结构和缺陷等进行准确定位。目前该方法主要用于检测一些地下隐蔽设施和道路工程。
(5)红外检测理论基础：热辐射定律和热传导微分方程。红外辐射是由原子或分子的振动引起的。自然界中的任何温度高于绝对零度的物体都能辐射红外线，红外辐射功率与物体表面温度密切相关，而其表面温度场的分布直接反映了传热时材料的热工性质、内部结构及表面状况对热分布的影响。因此，红外检测法是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像，通过直观地分析物体表面的温度分布，推定物体表面的结构状态和缺陷，并以此判断材料的性质和受损情况的一种无损检测方法。红外法可定性定量地分析和诊断火灾混凝土的损伤情况，对火灾检测是一大进步。
上述局部无损检测方法在应用上有很多共同的局限：(1)是要求事先知道损伤的近似位置及损伤的结构可以接近;(2)是结构的一些部位难以到达，对于一些大型结构特别是比较复杂的大型结构检测其损伤是不可能的;(3)是这类方法是定期的人工检测方法，要求结构的一些功能在检测期停止使用或工作，造成一定的经济损失;(4)是不能及时发现间隔期内的损伤;(5)是不能对结构实施实时、在线、连续的监测。
2 动态检测方法
动态检测方法即基于结构振动的损伤识别方法。它是利用结构的振动响应和系统动态特性参数来进行结构损伤检测。其基本原理是：结构模态参数(如固有频率、模态振型、模态阻尼等)是结构物理特性(如质量、刚度和阻尼)的函数，因而结构物理特性的改变会引起结构振动响应的改变。这种损伤探测方法属于整体检测方法，相对于前述的局部无损检测方法而言，它能够检测一些较大形体的复杂结构及其构件。目前该方法已经被广泛应用在航空、航天以及精密机械结构等方面。除了整体检测的优点外，对于石油平台、大型桥梁等大型土木工程结构，可以利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测，从而实现实时监测，这是很吸引人的。
但是对于大型土木结构，该方法目前还存在一定的困难。进入实际应用还有很多研究工作要做，主要体现在：
(1)土木结构较多的不确定因素、复杂的工作环境以及大型性导致结构的动力特性测量精度低，损伤识别困难;
(2)目前该方法对结构损伤的识别灵敏度过低，与早期发现损伤这一目标差距较大;
(3) 有关方法往往要求提供结构早期信息。基于振动的损伤识别方法是一种有着良好前景而又远未成熟的方法，必须进行更深入的研究。
3 结语
从上述列举的土木工程无损检测技术可以看出，这些技术只是在某时刻对结构性能进行的检测与评估。对于复杂结构，仅仅依靠偶尔地检测是不能够获得结构实时信息的。实时了解结构工作性能，对结构安全性做出及时地评估才是该项技术的长远发展趋势。因此结构健康监测技术应运而生。结构健康监测的思想是在结构上永久性安装传感器，对结构在正常环境下运营的物理与力学状态以及附属设施的工作状态、结构构件耐久性和工程结构所处环境条件等进行实时监测，通过现场安装的监测仪器和计算机辅助完成结构的健康监测和损伤识别，为结构的维护、维修和管理决策提供依据和指导。
结构健康监测具有众多的优势能够弥补传统检测技术的缺陷：(1)能够实时监测和预报，节约损伤探测与维护费用;(2)客观的历史记录数据减少了人为因素，从而减少了主观误差和停工时间;(3)自动化测量，保障了测量的可靠性;(4)停工减少与可靠性增加，保障了工程结构高的运营效率，大大降低了运营费用。因此可以预见，结构损伤检测的发展趋势就是实现真正意义上的结构健康监测技术。
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