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【摘要】在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合古建筑木結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用情況，對(duì)常用的幾種損失識(shí)別方法進(jìn)行比較，分析損傷識(shí)別方法在木結(jié)構(gòu)應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】古建筑；木結(jié)構(gòu)；損傷識(shí)別；無(wú)損檢測(cè)

0簡(jiǎn)述

古建筑木結(jié)構(gòu)中，影響木結(jié)構(gòu)安全的核心問(wèn)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(chóng)蛀、硬度低等缺陷，長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境下，很容易出現(xiàn)諸如開(kāi)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(zhēng)、人為破壞等因素，木結(jié)構(gòu)和木構(gòu)件的安全問(wèn)題成為古建筑木結(jié)構(gòu)預(yù)防性保護(hù)的核心問(wèn)題。正如人體“有病治病，無(wú)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(jìn)行檢測(cè)，鑒定其狀態(tài)和性能，以便后續(xù)維保。損傷識(shí)別是結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)工作的一項(xiàng)重要方法和手段。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查和一般性檢測(cè)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(diǎn)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(guò)一定的損傷識(shí)別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)當(dāng)前常用的損傷識(shí)別方法的應(yīng)用情況加以分析，以期能對(duì)同行有借鑒作用。

1木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別概況

損傷識(shí)別是古建筑木結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中的重要方法。不同于一般性損傷檢測(cè)，損傷識(shí)別能夠?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)部損壞位置和程度進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，比如木構(gòu)件內(nèi)部蟲(chóng)蛀、空洞，卯榫節(jié)點(diǎn)的腐朽、斷裂，結(jié)構(gòu)剛度的降低等。通過(guò)木結(jié)構(gòu)的一些關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)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(shí)別包括損傷位置識(shí)別和損傷程度識(shí)別。許多學(xué)者就損傷位置的推斷問(wèn)題提出各種識(shí)別方法，但目前對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究大多停留在構(gòu)件和方法層面。損傷程度的識(shí)別是古建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)估和預(yù)防性保護(hù)的前提。損傷程度識(shí)別主要是在預(yù)設(shè)已知損傷的理想化試驗(yàn)構(gòu)件（或簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)）的試驗(yàn)測(cè)試與理想有限元模型的對(duì)比分析的基礎(chǔ)上得出的識(shí)別方法，通過(guò)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(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，一般可以得到很好的識(shí)別結(jié)果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)方法不能解決實(shí)際工程的復(fù)雜性和隨機(jī)性，還有較大的誤差和離散，再加上試驗(yàn)者或分析者的水平等主觀因素，誤判的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

2損傷識(shí)別的方法

2.1有限元模擬與試驗(yàn)對(duì)比識(shí)別法

有限元模擬與試驗(yàn)對(duì)比識(shí)別法是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或縮尺模型進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試、振動(dòng)臺(tái)測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等技術(shù)手段獲取基本參數(shù)，建立有限元模型，并通過(guò)理論分析和參數(shù)修正等對(duì)已知或未知的損傷進(jìn)行識(shí)別的一種方法。但在模擬的過(guò)程中會(huì)存在著一定的誤差，如對(duì)構(gòu)件殘損或損傷的尺寸測(cè)量誤差，力學(xué)指標(biāo)誤差，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的邊界條件、簡(jiǎn)化方式等誤差，都會(huì)造成所建立的模型與實(shí)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(shí)際應(yīng)用達(dá)到一致，需對(duì)模型進(jìn)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(biāo)參數(shù)作為損傷識(shí)別的關(guān)鍵敏感性指標(biāo)成為損傷識(shí)別的關(guān)鍵，選擇結(jié)果直接影響損傷識(shí)別的精度。王娟等[1]選取損傷識(shí)別研究的對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件采取振動(dòng)響應(yīng)下靈敏度損傷識(shí)別的方法進(jìn)行了三種不同損傷狀態(tài)下的數(shù)值模擬識(shí)別，并將所得的方程采用修正后的正則法進(jìn)行求解。這種損傷識(shí)別方法適用于對(duì)構(gòu)件之間離散性較大的古木結(jié)構(gòu)，可以對(duì)單個(gè)構(gòu)件甚至多個(gè)構(gòu)件的損傷進(jìn)行識(shí)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(guò)對(duì)少數(shù)局部子結(jié)構(gòu)有限元模型修正，除了對(duì)單一結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別外，理論上也可用于對(duì)大型整體結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。在損傷識(shí)別效率方面有所提高，對(duì)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(wèn)題效率低且情況比較復(fù)雜，識(shí)別過(guò)程比較耗時(shí)，其有限元模型修正方法在實(shí)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(shuō)是傅里葉變換法的一種擴(kuò)展情況，一定程度上彌補(bǔ)了傅立葉變換的不足。在環(huán)境激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)往往可以看作是一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)通常屬于非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，而小波分析恰好能夠?qū)Ψ瞧椒€(wěn)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行較好地處理。小波分析不僅能對(duì)時(shí)域分析，還能對(duì)頻域分析，目前在木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中應(yīng)用越來(lái)越多。小波包分析從實(shí)際來(lái)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(jìn)行集中，尋找細(xì)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(xì)分析信號(hào)的方法。它是多層次劃分頻帶，將進(jìn)一步分解小波分析中沒(méi)有細(xì)分到的高頻部分，從而提高時(shí)-頻分辨率。Hong等[3]對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型部分進(jìn)行了連續(xù)小波變換，通過(guò)李氏指數(shù)將結(jié)構(gòu)的損傷位置進(jìn)行定位，發(fā)現(xiàn)李氏指數(shù)不僅可以對(duì)損傷位置進(jìn)行判斷，還可以對(duì)損傷程度進(jìn)行評(píng)估。李曉凡[4]通過(guò)僅改變指定單元的損傷變量作為損傷信號(hào)，對(duì)兩種不同的小波基函數(shù)進(jìn)行了分解，并將它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別過(guò)程中的靈敏度進(jìn)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(biāo)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(duì)多層框架結(jié)構(gòu)利用小波分析進(jìn)行了模擬，指出小波變換系數(shù)能對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)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(hào)和高階模態(tài)分析方面表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，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(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)上。秦堃[6]先對(duì)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(jìn)行損傷識(shí)別的指標(biāo)，梁上各節(jié)點(diǎn)上的加速度響應(yīng)信號(hào)通過(guò)小波變換進(jìn)行損傷定位，也可初步評(píng)估損傷程度。王鑫等[7,8]在隨機(jī)激勵(lì)作用下對(duì)古木結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行限元模擬，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)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(biāo)，從而得到損傷指標(biāo)與程度兩者的函數(shù)關(guān)系式。指標(biāo)具有一定的抗噪聲干擾能力，目前主要應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的實(shí)際工程。

2.3抗側(cè)移剛度法

抗側(cè)移剛度法是對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行一定程度地簡(jiǎn)化，確定結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量和振動(dòng)下的模型狀態(tài)，根據(jù)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)情況，確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)基本值的方法。薛建陽(yáng)等[9]根據(jù)1:3.52的縮尺比殿堂式古建筑模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)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(duì)剛度損傷的敏感情況進(jìn)行分析?；谠谥_滑移狀態(tài)下的簡(jiǎn)化力學(xué)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)觀測(cè)方程以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，并考慮了噪聲對(duì)試驗(yàn)的影響，研究了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(yàn)對(duì)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(cè)以及對(duì)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(jìn)的無(wú)損檢測(cè)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(lái)。馬宏林等[10]采用自己研發(fā)的整套超聲檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了木構(gòu)件裂縫及孔洞情況的測(cè)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(jìn)，從而保證了文物免受污染。通過(guò)對(duì)試塊實(shí)況及標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測(cè)對(duì)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(cè)效果。

2.5應(yīng)力波法

應(yīng)力波法是以不破壞檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和外觀功能為前提的一種無(wú)損識(shí)別法。應(yīng)力波測(cè)試儀通過(guò)對(duì)傳感器進(jìn)行敲擊來(lái)判斷損傷情況，在敲擊的過(guò)程中不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和正常使用功能，通過(guò)測(cè)試應(yīng)力波在木材中傳播的速度，拾取回波信號(hào)來(lái)對(duì)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(guò)軟件生成，從而可以對(duì)木構(gòu)件內(nèi)部的具體殘損狀況作出分析。戴儉等[11]對(duì)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(jìn)行研究分析，并研究了不同空洞下的應(yīng)力波對(duì)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(cè)面積與實(shí)際面積之間的差值,最小可達(dá)4%，同時(shí)兩者之間還存在比較顯著的線性關(guān)系。FAKOPP應(yīng)力波在進(jìn)行空洞采集方面存在較大的誤差，其精度還需進(jìn)一步提高。

3結(jié)語(yǔ)

古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法從理論上來(lái)講還不夠完善，需要進(jìn)一步探究理論支撐。在試驗(yàn)方面，還需要增加試驗(yàn)樣本數(shù)量和種類。在有限元模擬方面，還有待進(jìn)一步探索關(guān)鍵的顯著性指標(biāo)，模型修正方法上還有待改進(jìn)，沒(méi)有統(tǒng)一的普遍認(rèn)可的修正方法。在實(shí)際應(yīng)用中，仍處于發(fā)展階段，每種損傷識(shí)別方法還有許多問(wèn)題需要解決，如使用范圍限制、精讀，降噪去燥等。單種損傷識(shí)別技術(shù)存在不同情況的弊端，若綜合采用多種識(shí)別方法進(jìn)行損傷識(shí)別，是否能提升損傷識(shí)別效率，提高識(shí)別精確度，取其所長(zhǎng)，避其所短，值得后期做進(jìn)一步研究探索。目前，計(jì)算智能與小波分析的結(jié)合是木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方面一個(gè)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(shí)別方法相比，應(yīng)用于古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)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(yùn)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(shí)別的精華部分，運(yùn)用于木結(jié)構(gòu)中，以促進(jìn)古建筑木結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的發(fā)展。

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作者：董晴晴 單位：聊城大學(xué)