土木工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)論文(2)
土木工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)論文
土木工程試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)論文篇二
淺談土木工程損傷檢測(cè)技術(shù)
摘要：任何土木結(jié)構(gòu)都會(huì)由于材料本身老化、過度使用、環(huán)境侵蝕、缺乏維護(hù)等因素的影響而失效，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效損傷檢測(cè)能夠地診斷出缺陷(裂紋，銹蝕等)的位置和程度，使結(jié)構(gòu)能得到及時(shí)的修復(fù)和加固，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著結(jié)構(gòu)的老化及病害事例的增多，土木工程損傷檢測(cè)技術(shù)的重要性己逐漸被人們認(rèn)識(shí)。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
關(guān)鍵詞：損傷檢測(cè)，土木工程，健康監(jiān)測(cè)
0 引言
任何土木結(jié)構(gòu)都會(huì)由于材料本身老化、過度使用、環(huán)境侵蝕、缺乏維護(hù)等因素的影響而失效，對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效損傷檢測(cè)能夠地診斷出缺陷(裂紋，銹蝕等)的位置和程度，使結(jié)構(gòu)能得到及時(shí)的修復(fù)和加固，以確保結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著結(jié)構(gòu)的老化及病害事例的增多，土木工程損傷檢測(cè)技術(shù)的重要性己逐漸被人們認(rèn)識(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，土木工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)技術(shù)從方法簡(jiǎn)單的原始專家經(jīng)驗(yàn)方法過渡到依靠科學(xué)儀器檢測(cè)的規(guī)范方法。對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的可靠性評(píng)定，也已越來越依賴儀器進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)了。傳統(tǒng)的損傷檢測(cè)方法主要包括外觀檢查、微破損檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，以及在特殊情況下進(jìn)行抽樣破壞性試驗(yàn)等。一般來說，傳統(tǒng)檢查的方法對(duì)結(jié)構(gòu)具有一定的破壞性，且難以得到結(jié)構(gòu)的全面信息，尤其是結(jié)構(gòu)中的隱蔽部位。而且檢查結(jié)果的準(zhǔn)確程度往往依賴于檢查者的工程經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，難以對(duì)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備及退化的途徑做出系統(tǒng)的評(píng)估。于是近十幾年來，國內(nèi)外學(xué)者一直在尋找能更為方便快捷的檢測(cè)方法。目前普遍認(rèn)可的一種最有前途的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)采集與分析、智能型傳感器等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法，這種方法在發(fā)達(dá)國家己被廣泛應(yīng)用于航空、航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域的故障診斷、載識(shí)別和動(dòng)力修改等問題之中。
目前，這種基于現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的損傷檢測(cè)方法也應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域中。這種方法總體上可以分為兩類：即靜態(tài)檢測(cè)方法和動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。其中靜態(tài)檢測(cè)方法有射線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、雷達(dá)波檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法等。而動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法主要是基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法。
1 靜態(tài)檢測(cè)方法
(1)射線法：是利用 x 射線或 γ 射線以及中子射線易于穿透物體，且在穿透過程中
受到吸收和散射而衰減的性質(zhì)，在感光材料中獲取與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷相對(duì)應(yīng)的透射相片，從而檢測(cè)出物體內(nèi)部的缺陷情況。這種方法的缺點(diǎn)是所需的設(shè)備笨重，且對(duì)建筑物有一定程度的破壞(如需要鉆孔放置底片等)。而且，由于建筑物對(duì) x 射線或 γ射線的吸收問題，使得穿透深度很小而得不到廣泛應(yīng)用。因此，這種方法對(duì)于大型建筑物或大型橫梁、橋墩、水庫堤壩的非破損檢測(cè)效果不理想。
(2)聲發(fā)射檢測(cè)法：是利用物體受到外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂，造成應(yīng)力松弛，儲(chǔ)存的部分能量以應(yīng)力波形式釋放出來的現(xiàn)象。聲發(fā)射應(yīng)力波的聲源是物體內(nèi)部的微裂紋、位錯(cuò)或內(nèi)部有微觀、宏觀變化的部位。因此，聲發(fā)射是從獲得的信號(hào)中探求聲源性質(zhì)的方法。該方法自1964年聲發(fā)射被首次證明可用于工程結(jié)構(gòu)以來，有關(guān)聲發(fā)射的研究比較緩慢，主要原因是聲發(fā)射信號(hào)的復(fù)雜多變難以提取和易受外界干擾造成信息的失真。
(3)超聲波法：是一種應(yīng)用十分廣泛的無損檢測(cè)方法，其基本原理是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，依據(jù)聲學(xué)規(guī)律，超聲波的聲學(xué)量，如超聲聲速、傳播時(shí)間、超聲衰減和頻譜等與物體的幾何、力學(xué)量相聯(lián)系，因此，通過分析超聲波波形特點(diǎn)和測(cè)量這些聲學(xué)量來確定物體或材料得幾何、力學(xué)特性及內(nèi)部缺陷的大小和方位。一般來說，它只適用于檢查幾何形狀比較簡(jiǎn)單的小型構(gòu)件。
(4)雷達(dá)波法：是利用發(fā)射天線將高頻電磁波(10-2000MHz)以寬頻帶短脈沖形式送入介質(zhì)內(nèi)部，經(jīng)目標(biāo)體反射后回到表面，回波信號(hào)由接收天線接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及波形通過介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)變化，根據(jù)接收反射回波的雙程走時(shí)，幅度和相位等信息，對(duì)介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷等進(jìn)行準(zhǔn)確定位。目前該方法主要用于檢測(cè)一些地下隱蔽設(shè)施和道路工程。
(5)紅外檢測(cè)理論基礎(chǔ)：熱輻射定律和熱傳導(dǎo)微分方程。紅外輻射是由原子或分子的振動(dòng)引起的。自然界中的任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能輻射紅外線，紅外輻射功率與物體表面溫度密切相關(guān)，而其表面溫度場(chǎng)的分布直接反映了傳熱時(shí)材料的熱工性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面狀況對(duì)熱分布的影響。因此，紅外檢測(cè)法是把來自目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)變成可見的熱圖像，通過直觀地分析物體表面的溫度分布，推定物體表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和缺陷，并以此判斷材料的性質(zhì)和受損情況的一種無損檢測(cè)方法。紅外法可定性定量地分析和診斷火災(zāi)混凝土的損傷情況，對(duì)火災(zāi)檢測(cè)是一大進(jìn)步。
上述局部無損檢測(cè)方法在應(yīng)用上有很多共同的局限：(1)是要求事先知道損傷的近似位置及損傷的結(jié)構(gòu)可以接近;(2)是結(jié)構(gòu)的一些部位難以到達(dá)，對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)特別是比較復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)檢測(cè)其損傷是不可能的;(3)是這類方法是定期的人工檢測(cè)方法，要求結(jié)構(gòu)的一些功能在檢測(cè)期停止使用或工作，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失;(4)是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)間隔期內(nèi)的損傷;(5)是不能對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)施實(shí)時(shí)、在線、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。
2 動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法
動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法即基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的損傷識(shí)別方法。它是利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)。其基本原理是：結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)(如固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼等)是結(jié)構(gòu)物理特性(如質(zhì)量、剛度和阻尼)的函數(shù)，因而結(jié)構(gòu)物理特性的改變會(huì)引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的改變。這種損傷探測(cè)方法屬于整體檢測(cè)方法，相對(duì)于前述的局部無損檢測(cè)方法而言，它能夠檢測(cè)一些較大形體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件。目前該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在航空、航天以及精密機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面。除了整體檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)外，對(duì)于石油平臺(tái)、大型橋梁等大型土木工程結(jié)構(gòu)，可以利用環(huán)境激勵(lì)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這是很吸引人的。
但是對(duì)于大型土木結(jié)構(gòu)，該方法目前還存在一定的困難。進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用還有很多研究工作要做，主要體現(xiàn)在：
(1)土木結(jié)構(gòu)較多的不確定因素、復(fù)雜的工作環(huán)境以及大型性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)量精度低，損傷識(shí)別困難;
(2)目前該方法對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別靈敏度過低，與早期發(fā)現(xiàn)損傷這一目標(biāo)差距較大;
(3) 有關(guān)方法往往要求提供結(jié)構(gòu)早期信息?；谡駝?dòng)的損傷識(shí)別方法是一種有著良好前景而又遠(yuǎn)未成熟的方法，必須進(jìn)行更深入的研究。
3 結(jié)語
從上述列舉的土木工程無損檢測(cè)技術(shù)可以看出，這些技術(shù)只是在某時(shí)刻對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行的檢測(cè)與評(píng)估。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，僅僅依靠偶爾地檢測(cè)是不能夠獲得結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)信息的。實(shí)時(shí)了解結(jié)構(gòu)工作性能，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性做出及時(shí)地評(píng)估才是該項(xiàng)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展趨勢(shì)。因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的思想是在結(jié)構(gòu)上永久性安裝傳感器，對(duì)結(jié)構(gòu)在正常環(huán)境下運(yùn)營的物理與力學(xué)狀態(tài)以及附屬設(shè)施的工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性和工程結(jié)構(gòu)所處環(huán)境條件等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的監(jiān)測(cè)儀器和計(jì)算機(jī)輔助完成結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷識(shí)別，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、維修和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)具有眾多的優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的缺陷：(1)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，節(jié)約損傷探測(cè)與維護(hù)費(fèi)用;(2)客觀的歷史記錄數(shù)據(jù)減少了人為因素，從而減少了主觀誤差和停工時(shí)間;(3)自動(dòng)化測(cè)量，保障了測(cè)量的可靠性;(4)停工減少與可靠性增加，保障了工程結(jié)構(gòu)高的運(yùn)營效率，大大降低了運(yùn)營費(fèi)用。因此可以預(yù)見，結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)就是實(shí)現(xiàn)真正意義上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。
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