浅议古建筑木结构损伤识别方法

董晴晴 赵腾飞 倪浩冉 吴志伟 王爱森

（1聊城大学 季羡林学院；2聊城大学 建筑工程学院山东聊城）

0 简述

古建筑木结构中，影响木结构安全的核心问题是结构和构件的残损或损伤程度。木材具有易腐朽、虫蛀、硬度低等缺陷，长期暴露在自然环境下，很容易出现诸如开裂、孔洞等残损现象，加上地震、飓风、洪水、滑坡等自然灾害，以及年久失修、战争、人为破坏等因素，木结构和木构件的安全问题成为古建筑木结构预防性保护的核心问题。正如人体“有病治病，无病预防，查体诊断，防患未然”一样，古建筑木结构也要进行检测，鉴定其状态和性能，以便后续维保。损伤识别是结构安全检测工作的一项重要方法和手段。通过现场检查和一般性检测可以掌握古建筑木结构的明显的变形、损伤和损毁程度，而构件、连接节点或结构内部的损伤和力学性能等则很难判断和掌握，需要通过一定的损伤识别方法来实现。对当前常用的损伤识别方法的应用情况加以分析，以期能对同行有借鉴作用。

1 木结构损伤识别概况

损伤识别是古建筑木结构损伤检测中的重要方法。不同于一般性损伤检测，损伤识别能够对结构内部损坏位置和程度进行识别检测，比如木构件内部虫蛀、空洞，卯榫节点的腐朽、断裂，结构刚度的降低等。通过木结构的一些关键性能指标的测试结果，判断分析结构或构件是否存在损伤状况，及损伤的部位和损坏程度，是后续结构鉴定的基础，为古建筑木结构剩余寿命的预估和维保提供依据。

木结构损伤识别包括损伤位置识别和损伤程度识别。许多学者就损伤位置的推断问题提出各种识别方法，但目前对古建筑木结构损伤识别的研究大多停留在构件和方法层面。损伤程度的识别是古建筑木结构剩余寿命预估和预防性保护的前提。损伤程度识别主要是在预设已知损伤的理想化试验构件（或简易结构）的试验测试与理想有限元模型的对比分析的基础上得出的识别方法，通过修正有限元模型得出某些关键参数的设置方法或刚度矩阵修正方法，和试验结果对比分析，一般可以得到很好的识别结果。然而，在实际应用中，大多数方法不能解决实际工程的复杂性和随机性，还有较大的误差和离散，再加上试验者或分析者的水平等主观因素，误判的风险相对较高。

2 损伤识别的方法

2.1 有限元模拟与试验对比识别法

有限元模拟与试验对比识别法是通过对结构、构件或缩尺模型进行动力性能测试、振动台测试或现场检测等技术手段获取基本参数，建立有限元模型，并通过理论分析和参数修正等对已知或未知的损伤进行识别的一种方法。但在模拟的过程中会存在着一定的误差，如对构件残损或损伤的尺寸测量误差，力学指标误差，结构或构件的边界条件、简化方式等误差，都会造成所建立的模型与实际的结构不一致，甚至差别较大。为了尽可能让有限元模型和实际应用达到一致，需对模型进行一定程度的修正。如何修正有限元模型以及选择哪些指标参数作为损伤识别的关键敏感性指标成为损伤识别的关键，选择结果直接影响损伤识别的精度。

王娟等[1]选取损伤识别研究的对象为多层梁柱中的排架结构，基于所建立的结构有限元模型，对结构的构件采取振动响应下灵敏度损伤识别的方法进行了三种不同损伤状态下的数值模拟识别，并将所得的方程采用修正后的正则法进行求解。这种损伤识别方法适用于对构件之间离散性较大的古木结构，可以对单个构件甚至多个构件的损伤进行识别，在一定程度上考虑了噪声的影响。翁顺等[2]研究了基于子结构有限元修正模型的方法。通过对少数局部子结构有限元模型修正，除了对单一结构进行损伤识别外，理论上也可用于对大型整体结构的损伤识别。在损伤识别效率方面有所提高，对于单一结构的类型有一定的适用性。但这种方法优化求解问题效率低且情况比较复杂，识别过程比较耗时，其有限元模型修正方法在实际工程中还存在着一定的困难。

2.2 小波和小波包分析方法

小波分析可以说是傅里叶变换法的一种扩展情况，一定程度上弥补了傅立叶变换的不足。在环境激励下，结构的动态响应往往可以看作是一个非平稳随机过程，并且动态响应信号通常属于非平稳随机信号，而小波分析恰好能够对非平稳随机信号进行较好地处理。小波分析不仅能对时域分析，还能对频域分析，目前在木结构损伤识别中应用越来越多。

小波包分析从实际来讲是小波分析中的一种延伸情况，其基本思想是将信息能量进行集中，寻找细节中的有序性，筛选分析其中的规律，继而可以提供精细分析信号的方法。它是多层次划分频带，将进一步分解小波分析中没有细分到的高频部分，从而提高时-频分辨率。

Hong等[3]对结构的模态振型部分进行了连续小波变换，通过李氏指数将结构的损伤位置进行定位，发现李氏指数不仅可以对损伤位置进行判断，还可以对损伤程度进行评估。李晓凡[4]通过仅改变指定单元的损伤变量作为损伤信号，对两种不同的小波基函数进行了分解，并将它们在结构进行损伤识别过程中的灵敏度进行了比较，是首次将基于小波变换的损伤程度作为预警指标应用于古建筑木结构中，在损伤定位及损伤程度方面取得了较好的效果。丁科等[5]对多层框架结构利用小波分析进行了模拟，指出小波变换系数能对结构损伤位置进行判断，但不能反映出结构损伤程度的大小。小波分析方法在非稳态信号和高阶模态分析方面表现出很大的优势，但也有一定的局限性。目前的研究大多集中在数值例子和简单实验上。

秦堃[6]先对结构建立了有限元模型，选取木结构的小波包能量变化率作为进行损伤识别的指标，梁上各节点上的加速度响应信号通过小波变换进行损伤定位，也可初步评估损伤程度。王鑫等[7,8]在随机激励作用下对古木结构的损伤情况进行限元模拟，对各个节点上的加速度响应信号进行分解，将小波包能量曲率差作为木结构损伤定位的指标，从而得到损伤指标与程度两者的函数关系式。指标具有一定的抗噪声干扰能力，目前主要应用于一些简单的实际工程。

2.3 抗侧移刚度法

抗侧移刚度法是对结构力学模型进行一定程度地简化，确定结构层的质量和振动下的模型状态，根据测点的响应情况，确定结构动力特性参数基本值的方法。薛建阳等[9]根据1:3.52的缩尺比殿堂式古建筑模型进行振动台试验，对不同地震的损伤下结构模型在等效抗侧刚度以及侧移情况下对刚度损伤的敏感情况进行分析。基于在柱脚滑移状态下的简化力学模型，对结构观测方程以及结构状态方程进行了推导，并考虑了噪声对试验的影响，研究了结构的振动响应以及在柱脚滑移条件下的等效抗侧刚度。此次的试验对PLS-SVD和EKF法在古建筑木结构等效抗侧能力的在线检测以及对震前抗倒塌方面的预警提供了依据。

2.4 超声波法

超声CT技术也是目前较为先进的无损检测方法之一，可以将木构件内部存在的空洞情况以及裂隙发育较为直观地表现出来。马宏林等[10]采用自己研发的整套超声检测系统实现了木构件裂缝及孔洞情况的测试。所采用的干耦合方法，避免了耦合剂的使用，是以往超声波法必须采用耦合剂的一种改进，从而保证了文物免受污染。通过对试块实况及标准试块的检测对比，两者吻合程度较高。将这种方法应用到陕西的西岳庙，取得了较好的检测效果。

2.5 应力波法

应力波法是以不破坏检测对象内部的结构构造和外观功能为前提的一种无损识别法。应力波测试仪通过对传感器进行敲击来判断损伤情况，在敲击的过程中不会破坏结构内部结构和正常使用功能，通过测试应力波在木材中传播的速度，拾取回波信号来对内部缺陷情况作出判断。应力波的二维平面图以及线性图通过软件生成，从而可以对木构件内部的具体残损状况作出分析。戴俭等[11]对具有不同形状、不同大小的空洞的榆木试件采用FAKOPP应力波进行研究分析，并研究了不同空洞下的应力波对空洞面积、形状以及波速衰减的采集情况。结果表明：空洞的不断增大可以减小检测面积与实际面积之间的差值,最小可达4%，同时两者之间还存在比较显著的线性关系。FAKOPP应力波在进行空洞采集方面存在较大的误差，其精度还需进一步提高。

3 结语

古建筑木结构损伤识别方法从理论上来讲还不够完善，需要进一步探究理论支撑。在试验方面，还需要增加试验样本数量和种类。在有限元模拟方面，还有待进一步探索关键的显著性指标，模型修正方法上还有待改进，没有统一的普遍认可的修正方法。在实际应用中，仍处于发展阶段，每种损伤识别方法还有许多问题需要解决，如使用范围限制、精读，降噪去燥等。单种损伤识别技术存在不同情况的弊端，若综合采用多种识别方法进行损伤识别，是否能提升损伤识别效率，提高识别精确度，取其所长，避其所短，值得后期做进一步研究探索。目前，计算智能与小波分析的结合是木结构损伤识别方面一个较好的研究方向。与目前应用于土木工程结构中的损伤识别方法相比，应用于古建筑木结构损伤识别的方法还是较少，将应用于混凝土、钢结构、桥梁中较为娴熟的方法，运用到古建筑木结构中，是值得研究和探索的方向，比如基于共振频率和反共振频率的方法、基于共振频率和振型的方法、基于频响函数的方法、人工神经网络方法以及混合方法。因此今后应该汲取其他的结构损伤识别的精华部分，运用于木结构中，以促进古建筑木结构损伤识别的发展。