应用技术 浅谈损伤检测技术在土木工程中的应用 陈 颖 建设工程质量检测中心有限公司 江苏盐城 ２２４００１ 摘要：本文就土木工程损伤技术的现状进行阐述，从传统的结构损伤检测技术方法的概念、应用、缺点等进行讨论总结并提出相关意见。 关键词：土木工程；损伤；检测 一、前言 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 （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 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 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 要性已逐渐被人们认识。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已被广泛应 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。 二、静态检测方法 ｆ１）射线法：是利用ｘ射线或ｙ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Ｙ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。 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ｌ９６４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的几何、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（１０．２０ｏＯＭＨｚ）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）Ａ＃Ｉ－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 时、在线、连续的监测。 三、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。 四、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。 商品与质量 ２０１３年第２期 ４７