震后钢管混凝土结构损伤识别现状及展望

许成祥，徐晶金，倪铁权

（长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

对于地震后生命线工程的结构损伤状况进行识别并进行评估，然后根据评估结果给出土木工程结构应急修复处理或恢复重建加固方案，是当前抗震救灾研究领域的热点问题。损伤识别技术以其经济实用、能够宏观反映结构性能、可以探测结构隐蔽部位缺陷等优点在土木工程领域得到广泛应用。钢管混凝土结构因其具有良好的力学性能和施工性能，被广泛使用于高层建筑和大跨度等大型复杂结构体系中。因此，开展钢管混凝土结构的地震损伤分析与损伤识别方法研究，对损伤状态作出快速评估、标识损伤位置和损伤程度、评判其是否“可修”、是否需要加固和可否继续使用具有重要意义。

1 钢管混凝土结构损伤识别研究现状

对工程结构进行损伤识别研究可以分为3个阶段：①20世纪50年代前，为探索阶段，主要通过目测来判断钢管混凝土结构缺陷产生的原因并提出相应维修方法；②20世纪60年代至70年代，该阶段注重检测与评估方法的研究，提出了破损检测、无损检测、物理检测等检测方法以及分项评价、模糊评价等评价方法；③20世纪80年代至今为完善阶段，研究并制定了一系列规范和标准。随着钢管混凝土结构在建筑工程领域的大规模应用，更加注重钢管混凝土结构损伤诊断的研究。

1984年，同济大学材料系［1］针对钢管混凝土质量和强度检测问题，采用超声脉冲方法进行了系统的探测研究，最终确立了超声法检测混凝土缺陷技术规程（CECS21：2000）。1996年，邱法维等［2］研究了钢管混凝土柱在水平载荷作用下的累积滞回耗能问题，采用等价滞回圈数的概念分析了钢管混凝土的低周疲劳损伤问题，并进一步考虑了地震作用下的损伤情况，为此在双参数累积损伤模型的基础上，通过修改耗能因子，使其损伤模型适用于钢管混凝土结构。1997年，潘绍伟等［3］提出对钢管混凝土拱桥内混凝土质量采用低频超声波检测的技术，并根据声速、波幅和波形以及脉冲回响等超声参量进行综合评价。2003年，姜绍飞等［4］基于钢管混凝土硬化机理，提出了钢管混凝土（结构）健康监测与检测的技术。2003年，黄新国［5］基于波的绕射理论，提出了钢管混凝土表面波检测的新技术。通过钢管混凝土柱的模型试验，证实了该方法的可行性。2006年，周先雁等［6］提出利用超声波法和冲击回波法检测钢管混凝土质量是可行的的方法。2007年，郭蓉等［7］通过分析方钢管混凝上柱在低周反复荷载作用下的情况，获得了各构件破坏时的累积滞回耗能，并通过回归分析得到了适合方钢管混凝上柱的双参数损伤模型。2012年，许斌等［8］设计制作了一个局部区域存在模拟界面剥离损伤的矩形钢管混凝土柱，将压电陶瓷片用水泥砂浆封装制成驱动器并预埋入钢管混凝土柱混凝土内部，在信号源产生的正弦扫频电压信号的作用下产生激励信号，同时在钢管外壁不同区域粘贴压电陶瓷片作为传感器，测量具有模拟剥离损伤的钢管混凝土柱4个监测面上压电陶瓷片传感器的输出电压，再分别对位于完好界面和模拟剥离损伤区域压电传感器输出信号进行了小波包总能量和小波包能量谱分析。分析表明，剥离区域的小波包能量谱具有明显差异。据此提出了基于小波包能量谱的加权相对变化损伤指标，并利用该指标对试验模型的界面损伤区域进行了准确识别。

综上所述，目前对钢管混凝土结构的震后损伤识别的研究主要集中在钢管混凝土局部质量检测、钢管混凝土构件承载能力、滞回性能的研究，而对钢管混凝土结构的损伤模型的研究还比较薄弱。

2 钢管混凝土结构损伤识别研究存在的问题

1）识别方法单一 目前，工程中钢管混凝土结构质量检测主要集中钢管混凝土框架柱、梁、节点等局部构件上，针对钢管混凝土结构整体在地震作用下的损伤诊断尚未见报道。结构损伤识别技术中的局部法存在如下不足：①要求事先知道损伤的近似位置；②要求检测人员必须到达损伤区域；③损伤检测期间，要求停止使用检测结构的相关功能；④不能发现全寿命周期内任一时刻的损伤；⑤不能实时、在线、连续地对结构进行监测。针对钢管混凝土结构的损伤识别方法单一，存在较大局限性。

2）识别层次有限 Doebling等［9］将土木工程结构损伤识别划分为5个层次：①确定损伤存在；②确定损伤位置；③确定损伤的类型；④确定损伤程度；⑤评估剩余寿命。由于相关理论和方法存在局限性，目前土木工程结构损伤识别的研究主要集中在前3个层次上，而对土木工程结构的损伤程度和评估剩余使用寿命评估的研究还十分有限。

3）损伤机理不明 钢管混凝土结构中的钢管及核心混凝土在受力过程中存在组合作用，其力学性能十分复杂，目前对钢管混凝上结构的弹塑性变形、动态损伤等多种效应藕合机理还不明确。此外，钢管混凝土结构损伤是一个复杂的非线性动力过程，其与钢管和混凝土材料特性、几何参数和损坏部位等密切相关，这使该问题研究的难度加大。

4）损伤模型不完善 合理的模型是钢管混凝土结构损伤分析的基础，其应具备理论上的合理性（不仅能够反映材料受力行为的主要特征，而且在逻辑上是自洽的）和应用上的简明性（可以方便地应用于工程结构的分析之中，并且模型的主要参数能通过成熟的力学试验方法获取）。已有的钢管混凝土结构损伤模型过于简单或繁琐，难以应用在工程实际中。因此，建立理论基础严谨、形式简单、参数可用、简单成熟的钢管混凝土结构损伤模型势在必行。

3 钢管混凝土结构损伤识别研究展望

1）引入土木工程结构损伤识别领域的全局识别方法 该方法基于动力特性的结构损伤识别方法，是通过系统参数识别技术识别出结构的模态参数（频率、振型、振型、阻尼等），然后由模态参数转化系统的物理参数（质量、刚度、阻尼等），通过比较参数的变化进而判定结构的损伤状况。因此，在钢管混凝土结构损伤识别研究中引入该方法具有重要作用。

2）研究损伤机理，建立精细化的土木工程结构损伤模型 钢管混凝土是在薄壁钢管内填充普通混凝土，将2种不同性质的材料组合而形成的组合结构，其震后损伤特性有别于其他的土木工程结构。只有深入研究损伤机理，建立精细化的钢管混凝土结构损伤模型，才能保证研究结果的真实性和有效性。

3）损伤诊断中的步骤问题 由于钢管混凝土结构的复杂性，要进一步诊断其损伤状况十分困难，宜采取多步骤诊断策略，即先确定有无损伤，然后确定损伤位置，最后确定钢管混凝土结构的损伤程度。

［1］CECS21－2000，超声法检测混凝土缺陷技术规程［S］.

［2］邱法维，杨卫东，欧进萍 .钢管混凝土柱滞回耗能和累积损伤的试验研究［J］.哈尔滨建筑大学学报，1996，29（3）：41－45.

［3］潘绍伟，叶跃忠，徐全 .钢管混凝土拱桥超声波检测研究［J］.桥梁建设，1997，23（1）：32－35.

［4］姜绍飞，许丕元，陈维 .钢管混凝土结构的损伤检测方法［J］.哈尔滨工业大学学报，2003，35（增刊）：204－207，229.

［5］黄新国 .钢管混凝土表面波检测方法的研究［D］.武汉：华中科技大学，2003.

［6］周先雁，肖云风 .用超声波法和冲击回波法检测钢管混凝土质量的研究［J］.中南林学院学报，2006，26（6）：44－48.

［7］郭蓉，王铁成，赵少伟仁，等 .方钢管混凝土柱的地震损伤模型［J］.河北农业大学学报，2007，30（3）：109－112.

［8］许斌，李冰，宋刚兵，等 .基于压电陶瓷的钢管混凝土柱剥离损伤识别研究［J］.土木工程学报，2012，45（7），86－96.

［9］Rytter A.Vibration based inspection of civil engineering str uctures［A］ .Dissertation Depart ment of Building Technology and Str uctural Engineering［C］.Den mar k：Aalbor g University，1993：34－36.