复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量（通用6篇）

篇1：复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

最优小波包分解在基于响应信号的结构损伤检测中的应用

小波包分解方法在基于响应信号的结构损伤检测中被证明对损伤程度高度敏感,得到广泛的应用.在小波包分解中采用的是完全二进制分叉树型分解,而实际上在分解过程中部分子信号仅含有很少的信息量,对其再进一步分解是不必要的.通过引入熵的概念,可以对分解过程中的各层子信号进行选择,仅对含有足够丰富信息的子信号进行更进一步的分解.这样做可以有效减少最终所得子信号数目,在保持灵敏度的同时降低损伤指标的维数,有助于缩减损伤识别中神经网络的`规模,对于大型复杂结构的损伤检测工作具有一定的意义.

作 者：余龙 姜节胜 闫云聚 YU Long JIANG JieSheng YAN YunJu  作者单位：西北工业大学,力学与土木建筑学院,西安,710072 刊 名：机械强度  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF MECHANICAL STRENGTH 年，卷(期)：2007 29(6) 分类号：O329 关键词：小波包分解   损伤检测   最优分解  

★ 检测中

★ 独立主格：With的复合结构作独立主格

★ 杆系结构非线性损伤随机演化分析

★ 波音如何处理787研制过程中的结构损伤

★ 篮球运动中常见膝关节损伤的探讨

★ 手持GPS和罗盘仪在涉案林地面积测量中的精度分析

★ 工程测量中高斯论文

★ 重力式挡土墙结构优化设计的复合形法

★ 智能桁架结构局部力和速度复合反馈振动控制研究

★ 三维可视化技术在吉和油田开发中的应用

篇2：复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

中国桥梁网文本摘要：近年来,随着交通事业的发展,桥梁的重要性与日俱增,但随着汽车交通量增大、重车交通增加及桥梁所处环境受人为外力及自然灾害的影响,使得现役桥梁劣化程度比较严重。为保证这些桥梁的功能性及安全性,需对其健康状况进行损伤检测及安全评估。

关 键 词：检测与评估 损伤

近年来,随着交通事业的发展,桥梁的重要性与日俱增,但随着汽车交通量增大、重车交通增加及桥梁所处环境受人为外力及自然灾害的影响,使得现役桥梁劣化程度比较严重。为保证这些桥梁的功能性及安全性,需对其健康状况进行损伤检测及安全评估。

公路桥梁损伤检测方法

近几十年来,针对不同类型的新旧桥梁损伤和老化现象,国内外桥梁研究人员提出了各种各样的检测方法。大体上说,目前桥梁结构损伤检测分为局部检测法和整体检测法。

1.1 局部检测技术

局部检测技术是对结构目标部位进行集中重点的检查,一般以无损检测技术为工具,主要用于探测结构的局部损伤,可较精确地对结构缺陷部位进行定位、探查,甚至定量分析。下面重点介绍下无损检测技术：

传统的无损检测(Nondestructive Evaluation,NDE)技术得到了较大发展,目前已有超声检测、红外检测、声发射、自然电位检测、冲击回波检测、磁试验、r或x射线检测、光干涉、脉冲雷达、振动试验分析等数十种之多。除振动试验分析法以外,多数无损检测技术属于局部检测方法。某些无损检测技术应用桥梁结构上还存在着一些不利因素,如r或x射线检测法只能检测一定厚度范围内的混凝土,对检测空间有一定要求,且有一定的放射性危险;超声检测虽然对钢结构检测效果较好,但对混凝土类各向异性材料的检测不够准确,检测设备成本较高;红外检测法可远距、快速的进行检测诊断,但检测成本较高且对交通流量有影响。局部检测方法需要人工作地毯式搜索,虽较费时费力且可靠性差,但对于量大面广的中小桥梁来说,从技术、经济上考虑,人工检测仍然是一种重要的比较现实的技术管理手段。今后的方向是扩大先进检测技术的应用范围,并积极研究、应用小型的自动化程度较高的检测仪器。传统的检测方法一般可以对桥梁的外观及部分结构特性进行监测,对桥梁局部关键结构构件、节点可以进行较为合理的损伤判断,然而难以全面反映桥梁的整体健康状况,对于桥梁结构的安全程度、剩余寿命难以作出系统的评估。国内外学者普遍认同并致力于研究的无损检测方法是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集等跨学科技术的试验模态分析法。目前,该整体检测技术在一些局部范围内取得了积极的效果。一种比较现实的损伤检测测方法可能是综合整体损伤定位与局部细化检测两种手段的技术。

1.2 整体检测技术

1.2.1整体检测是从全局上把握整个结构的实际工作状态,可连续或间隔地检查结构安全状态,并可用来指导对损伤可疑部位进行定位和损伤程度评估,提高检测效率。整体检测方法可分为静态检测方法和动态检测方法。

1)静态检测方法是在桥梁停止使用的状态下对桥梁进行静载试验,量测与桥梁结构性能相关的静力参数,如桥梁在静载下的变形、挠度、应变、裂缝等。通过分析这些参数,可直接判定全桥静承载能力,并得出结构的强度、刚度及抗裂性能。

2)动态检测方法(基于振动的测试识别方法)是对桥梁结构进行动力荷载试验,利用结构的动力性能是判断桥梁运营状况和承载力的依据。该方法是对待测结构系统进行激励,通过振动测试、数据采集、信号分析与处理,由系统的输入和输出确定结构的力学特性,根据结构系统的动力特性来识别损伤。

1.2.2整体检测技术的现状

对于特殊、重要的大跨度桥梁,近年来人们致力于整体损伤诊断与评估方法的研究。实时监测与故障诊断技术在发达国家的航空航天、军工、机械行业中已得到了广泛应用,许多技术已十分成熟。然而由于大型土木工程结构和材料的复杂性、特殊性,从直接仿照机械振动模态技术出发,笼统的采用单一动力参数指标去评估整个结构的状态是不合适的。同时,在机械、航空航天行业得到成熟应用的其它技术如传感器的优化布置、结构动力指纹变化的识别,应用于土木工程结构,特别是桥梁结构时都还存在着很多难题。

桥梁结构整体健康监测系统的研究有望改变过去不能及时发现结构故障的被动局面,可以及时地了解结构的整体工作状态,是以后的发展方向之一。然而,这涉及到3个方面的工作:a工作参数的采集;b工作参数的识别加工得到桥梁工作状态信息;c根据工作状态信息给出桥梁健康状况评估。

目前的工作多集中于前者,后两项工作仍然处于理论与实践探索阶段,总体来讲,难度仍然很大。

1)传感器的优化布置问题结构损伤检测首先涉及到信号采集技术。在结构损伤检测研究与实践中,传感器是个研究重点。大型桥梁结构监测系统,一般包括多种类型和众多数目的传感器,如香港青马大桥上设立的永久性健康监测系统,包括700多个风速仪、加速度仪、应变仪、位移仪、温度仪、水平仪、车载车速仪。众多的传感器形成了传感器群,从而带来了传感器优化布置方面的研究。结构中传感器的数量和位置对模型参数估计的质量和偏差有重要影响,然而,获得结构完整的模态数据对于桥梁这样的大型结构是不可能的,测量只能得到所有自由度中的一部分模态,而且,这一过程不可避免的会引入误差和导致损伤检测难度加大。因此,在考虑成本代价的影响下,确定传感器的类型、数量、位置等布置的最优化或接近最优化,以从有限数量的传感器系统中实现信息的最优采集是损伤检测的首要关键环节。目前已经提出了一些优化算法,如MAC矩阵非对角元最小化准则、遗传算法等。清华大学土木系采用广义遗传算法对香港青马大桥传感器群最优布点进行了优化设计(1997),经过实践检验证明该算法是可行的,并且可以获得全局最优化或接近最优化。

2）桥梁损伤识别方法

a 动力指纹法

动力指纹法是通过分析与结构动力特性相关的动力指纹的变化来判断结构的真实状况。通常用到的动力指纹有:频率、振型、模态曲率、应变模态、传递函数、功率谱、模态保证准则(MAC)、坐标模态保证准则(COMAC)、能量传递比(ETR)等。使用单一测试动力特征的方法有频率比法、振型差法、应变模态法、曲率模态法等;使用多个测试动力特征的方法有柔度差阵、刚度差阵、均载变形-曲率法、能量损伤指纹、能量商差指纹等;使用其它测试响应的方法如FRF波形指纹法,包括WCC、ATM、SAC等几个指针。大量的模型和实际结构试验表明:结构频率实测较准,但它对局部损伤不敏感;振型尤其是较高阶振型对局部刚度变化很敏感,但却很难精确测量。MAC、COMAC等依赖于振型的动力指纹都存在类似的问题,而模态曲率、应变模态则在低幅值振动测试中变化量级过小而难以起到有效的判别作用。某些指标如ETR、单元模态应变能可以较有效的确定损伤位置或发展,然而这些指标对噪声比较敏感,容易湮没于噪声中。目前已有的研究表明,动力指纹法对实验室内的简单模型结构而言是成功的,应用于实际的结构上结果还不太理想。可以说,到目前为止,动力参数法对结构损伤识别的能力仍然十分有限。动力指纹法的成功应用或许需要依赖于寻找新的综合性损伤指标及试验技术的发展。

b 模型修正法

模型修正法主要利用直接或间接测得的资料通过条件优化约束,不断的修正结构模型的刚度分布,从而得到结构刚度变化的信息,实现结构的损伤判别与定位。用于无损评估的有限元模型修正方法包括模态柔度法、最优矩阵修正法、灵敏度矩阵修正法、特征结构分配法、测量刚度改变法和综合模态参数法。由于技术上的原因,通常只有结构的一些识别较好的低阶模态被用于有限元模型修正。然而事实是,只有对应于高阶频率的模态对结构的损伤定位是敏感的,低阶模态对确定损伤位置并无明显贡献,反而增加了计算工作量。这种方法的缺陷在于测试不可能得到结构的完整模态集且测量中的信噪比较低,因而由测试数据难以给出足够的修正信息,导致了解的不惟一性。

c 人工神经网络法

Rajagopalan等人(1996)论述了在无损检测与评估领域中人工智能(AI)的两个应用途径。他们认为AI中基于知识的系统(KBS)和人工神经网络(ANN)可以合适地应用于NDE中。人工神经网络是在研究神经网络中对人脑神经网络的某种简化、抽象和模拟。神经网络具有集体运算能力、自适应的学习能力、还有较强的容错性、鲁棒性,能进行联想、综合和推广。

有研究者认为,传统的损伤评估算法基于精确的数学建模,而对于复杂结构的性能尚未达到精确理解的程度;而神经网络法可以保存结构损伤与未损模式,并可进行自学习,进行对比分析就可辨识损伤。

近年来,人工神经网络已在滤波、谱估计、信号检测、系统辨识、模式识别等方面得到了成功的应用。神经网络识别法可以解决传统模式识别中的高噪音干扰和模式损失等缺点。利用人工神经网络法,结合小波分析技术,可对桥梁监测信号进行预处理和损伤特征提取;由于桥梁结构损伤检测得到的测试数据的不完备性,神经网络法可以利用有限的数据训练,用不完备的数据识别在无数学模型的情况下可以较好的解决非线性和不确定性引起系统的辨识问题。目前应用于结构损伤识别的有基于误差反向传播算法的神经网络(BP)、径向基函数神经网络(RBF)、自组织神经网络(ART)等。人工神经网络法的主要局限性在于训练数据集的获取,其准确性在很大程度上取决于训练数据集的完备程度。

3）环境激励下的系统响应识别

结构振动测试中的激振技术可以采用激振设备或其它激振手段如发射火箭、爆炸、人工地震等等。在桥梁结构中采用专用激振设备或人工激振往往需要关闭交通或是引起结构损伤,采用重型激振设备往往也会增加系统识别的成本。而利用作用于桥梁结构上的车辆、行人、风及其组合等自然环境激励进行结构系统识别则具有很多优点:不需打断交通流,无需布置贵重设备,且方便省时。

环境激励输入实际上是无法确切知道的,因此环境激励系统识别是只知信号输出而不知信号输入的系统识别法,这是对传统的系统识别法的一个挑战。然而,环境激励响应一般振动幅值小、随机性强、易受噪声影响、数据量大,需要一些特殊的识别技术。国外学者基于不同用途提出的识别方法有:基于功率谱密度的峰值法、基于离散时间数据的ARMA模型、自然激励技术、随机子空间法等。任伟新对频域识别的峰值法(PP)和时域识别的随机子空间法(SSI)进行了比较,并针对一幢15层高的钢筋混凝土建筑和一座钢拱桥进行了应用分析,结果表明:PP法具有简单、快捷、实用的优点,但结构阻尼无法识别,且振型识别精度不高;而SSI法计算工作量大,但识别质量较高;由此建议现场试验时用PP检查数据并初步识别结构的动力特性,然后再用SSI法做进一步分析以确保结果的正确性。

4）专家系统

结构的损伤诊断与评估不仅需要深厚的理论基础,而且需要丰富的专家经验。基于知识的专家系统汇集了专家们的知识,突破时域限制,使损伤诊断与评估逐渐走向智能化、自动化。目前,在桥梁损伤评价与维修对策中已有应用和开发专家系统的尝试。专家系统一般都融合了模糊理论,以适应处理不确定性信息的能力。由于专家系统是基于符号的推理系统,具备解释功能,但获取知识困难,而人工神经网络具备学习能力,但不具备解释能力,将专家系统和人工神经网络结合起来建立结构损伤智能诊断系统显现出了良好的发展前景。

桥梁结构安全评估与寿命预测

桥梁结构从正常到不正常的发展,导致缺陷发生的过程称为裂化过程或损伤过程。损伤检测的目的是为了对桥梁进行客观的评价,以此来指导车辆通行,为桥梁维护、合理有效的加固提供科学依据,并为桥梁发展趋势及剩余寿命进行合理预测。

2.1 桥梁结构的安全评估

桥梁安全评估分初步评估和详细评估两个层次。初步评估可快速筛选出大量桥梁的安全性程度,再由主管部门配合该桥梁的重要性程度,决定是否需要进行详细评估。

1)初步评估。

根据影响桥梁耐震、耐荷及耐冲刷能力的项目,以填表方式评定各项目的分数,再综合获得整体分数,据以判定受评价桥梁耐震、耐荷及耐冲刷能力是否足够或有疑虑或不足。

2)详细评估。

根据桥梁实际现有情况,配合最新相关设计规范资料,经详细结构分析后计算桥梁耐震及耐荷能力。经详细评估后显示安全性不足的桥梁,应立即进行补强工作,且桥梁安全评估所获得的信息,应当作补强工作的重要参考依据。

2.2 寿命预测

桥梁结构的使用寿命或耐久年限,是指在役桥梁在正常使用和正常维护条件下,仍然具有其预定使用功能的时间。在进行寿命预测之前,首先必须明确结构的预定功能是什么,如何判断结构的功能失效,即极限状态的定义,这是结构寿命预测与剩余寿命评估的关键。桥梁结构的使用寿命与材料性能、细部构造、使用状态、劣化机理等许多因素有关,且诸多因素相互作用很难量化。现在有各类预测方法,目前的常用方法有经验预测法、数学模型预测法及寿命预测随机法。

3.结 语

桥梁结构损伤检测与评估涉及到结构、通讯、计算机、管理科学等多个学科领域,系统论、信息论、控制论、非线性科学等最新技术都在其中有广泛应用。总体上说,仍然处于初步探索阶段。随着各学科的进一步交叉与同步发展,相信桥梁结构的健康监测与评估这一门新兴的科学将会得到较大的发展。桥梁的长期实时或定时在线自动监测、健康状况评估(包括特大自然或人为灾害后的快速评估)、交通管理与维修决策融为一体的综合性决策系统也会尽快实现。

读书的好处

1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。——达尔文

5、少壮不努力，老大徒悲伤。

6、黑发不知勤学早，白首方悔读书迟。——颜真卿

7、宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。

8、读书要三到：心到、眼到、口到

9、玉不琢、不成器，人不学、不知义。

10、一日无书，百事荒废。——陈寿

11、书是人类进步的阶梯。

12、一日不读口生，一日不写手生。

13、我扑在书上，就像饥饿的人扑在面包上。——高尔基

14、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游

15、读一本好书，就如同和一个高尚的人在交谈——歌德

16、读一切好书，就是和许多高尚的人谈话。——笛卡儿

17、学习永远不晚。——高尔基

18、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。——刘向

19、学而不思则惘，思而不学则殆。——孔子

篇3：复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

1 工程概况

市民广场站为1、4号线的换乘站, 项目紧邻无锡市新的行政中心—市民中心, 该站1、4号线换乘节点及周边物业开发范围内采用盖挖法施工, 盖挖面积达9180m2, 盖挖范围内共设110根型钢立柱桩, 立柱基础采用Φ2000mm、桩长50~60m钻孔灌注桩。

2 试验原理

自平衡法检测原理是将一种特制的加载装置—通莫荷载箱, 在混凝土浇注前和钢筋笼一起埋入桩内相应位置, 将加压管以及所需的其他测试装置从桩体引到地面, 然后灌注成桩。由加压泵在地面向荷载箱加压加载, 通过荷载箱产生的上下两个方向的力, 获得桩体向上、向下反应系列参数, 通过对加载力与这些参数之间关系的计算和分析, 获得桩基承载力及每层土层的侧阻系数、桩的侧阻、桩端承力等一系列数据。

3 市民广场站试桩检测方法

3.1 荷载箱混凝土预浇及安装

采用一次性荷载箱, 直接安装于灌注桩内部, 荷载箱上下分别布置在两块钢环上, 其直径略小于桩径, 端面设计成锥形体。

3.2 传感器安装

采用位移丝外套护管方式, 检测点截面引出3组位移丝, 通过位移传感器进行测量。

3.3 试验加/卸载方法

加载:分级进行, 每级加载为预估加载力的1/10, 首级加载按分级加载值的两倍加载

卸载:分5级卸载, 每级卸载为加载级别的2倍终止加载条件:

1) 累计位移量<40 m m, 但加载值≥预估最大加载值

2) 累计位移量≥40m m, 本级荷载下的位移量≥前一级荷载作用下位移量的5倍时;

3) 累计位移量≥40m m, 本级荷载加上后24h尚未达到相对稳定标准;

4) Q-S曲线出现明显陡变;

5) S-lgt曲线尾部出现明显弯曲;

6) Q-S曲线为缓变型时, 可加载至位移60m m~80m m。

3.4 数据采集

采用电脑读数和人工记录的方式同步进行, 记录内容包括油压, 荷载箱上、下部位移, 桩顶位移等。

3.5 单桩竖向抗压极限承载力的确定

实测得到荷载箱上、下段桩的极限承载力Qu上、Qu下, 按照《基桩自平衡法静载试验技术规程》 (DGJ32/TJ77-2009) 中承载力计算公式得到单桩竖向抗压极限承载力:

式中:

Qu:单桩竖向抗压极限承载力 (k N)

Qu上、Qu下:荷载箱上、下段桩实测极限承载力 (k N)

W:荷载箱上段桩自重

γ:荷载箱上段桩侧阻力修正系数, 粘土、粉土取0.8, 砂土取0.7

4 测试结果分析

4.1 ZJ4-GZ67注浆前后静荷载试验结果分析

4.1.1 ZJ 4-GZ67注浆前加载情况

按预估值13600kN分级, 每级加载1360kN, 首级加载按两倍荷载即2720kN加载。由曲线图可看出在加载至第6级荷载时下段桩向下位移Q~S曲线呈缓变型, S~lgt曲线呈平直型, 上段桩向上位移Q~S曲线呈缓变型, S~lgt曲线呈平直型。当加载至9520kN时, 下部桩体位移量明显加大, 持续11h的判稳过程中, S~lgt曲线呈现曲折状。后在加载10880kN时, 位移持续了4.5h才稳定。加载至12240kN时, 该级向下位移量持续增大, 且油压难以维持, 决定终止加载, 并开始卸载。取上一级荷载10880kN为最终加载值。

向下位移累计24.57mm, 卸载后剩余位移为22.05mm, 回弹率10.3%。向上位移累计7.20m m, 卸载后剩余位移为5.73m m, 回弹率20.4%。

4.1.2 ZJ 4-GZ67注浆后加载情况

按预估值13600kN来分级, 每级加载1360kN, 首级加载按两倍荷载即2720kN加载。由曲线图可看出在加载到第10级荷载时, 下段桩向下位移Q~S曲线呈缓变型, S~lgt曲线呈平直型, 上段桩向上位移Q~S曲线呈缓变型, S~lgt曲线呈平直型。因上下位移走势都比较平缓且位移量都不是很大, 继续向上加载一级到14960kN, 上下位移增大亦不明显, 曲线还是呈缓变型。遂终止加载, 并开始卸载。取本级荷载14960kN为最终加载值。

向下位移累计20.51mm, 卸载后剩余位移为16.76mm, 回弹率18.3%;向上位移累计13.18m m, 卸载后剩余位移为10.59m m, 回弹率19.7%。

从结果可以看出, 在相同荷载情况下, 位移比注浆前小, 且桩基破坏难度较注浆前也提高了, 这都说明桩底注浆达到了一定的效果, 另外也不排除在注浆前试验过程中桩端的压实对本次试验成果存在一定的影响, 故桩端承载力的提高应综合考虑各方面的因素。

4.2 JZ4-67单桩竖向承载力计算

根据地质报告, γ取0.8。

4.2.1 注浆前承载力

上段桩侧土极限摩阻力:取对应于注浆后第11级荷载14960kN并考虑上段桩自重、型钢段桩摩阻力和修正因子后, 经计算约为12961kN。

下段桩极限承载力:取对应于第8级荷载10880kN。

单桩竖向抗压极限承载力=上段桩侧土极限摩阻力+下段桩极限承载力, 按公式 (1) 即为:

4.2.1 注浆后承载力

上段桩侧土极限摩阻力:取对应于第11级荷载14960kN并考虑上段桩自重、型钢段桩摩阻力和修正因子后, 经计算约为12961kN。

下段桩极限承载力:取对应于第11级荷载14960kN。

单桩竖向抗压极限承载力=上段桩侧土极限摩阻力+下段桩极限承载力, 按公式 (1) 即为:

5 结论

经对实测数据分析和计算, 得出如下结论:

ZJ 4-GZ67试桩 (注浆前) 的单桩竖向抗压极限承载力不小于23841kN, 其中桩端极限承载力为5902kN。

ZJ 4-GZ67试桩 (注浆后) 的单桩竖向抗压极限承载力不小于27921kN, 其中桩端极限承载力为8774kN。

其他3根桩检测结果均满足设计要求, 不再赘述。

综上所述, 自平衡法桩基检测技术与传统桩基检测技术相比优势明显, 检测周期仅1周, 且对场地条件要求较低, 适用于淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、岩层以及黄土、冻土、岩溶特殊土中的钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩、管桩, 包括摩擦桩和端承桩。特别适用于传统静载试桩相当困难的大吨位试桩、水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩等情况。

参考文献

[1]李忠春, 金志坚, 曾章海.基桩自平衡试桩法在建设工程中的应用[J].浙江建筑, 2008.

[2]文家珍.自平衡试桩法应用研究[J].铁道技术监督, 2007.

篇4：复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

纳米金、银颗粒具有独特的光学性质和生物相容性。纳米银由于表面增强拉曼散色效应强和催化活性,正被越来越多地应用于蛋白质和 DNA等生物分子的检测分析[1]。金纳米粒子水溶胶,即胶体金,由于自身带负电可与生物分子的正电荷基团通过静电吸附而牢固结合,不影响其生物活性,也可以与巯基作用形成Au-SH共价键,这使得胶体金广泛地应用于免疫分析、免疫层析及显色反应等分析测试领域[1]。以胶体金为标记物的免疫金标记技术和金标银染银染技术可用于定性、半定量甚至定量可视化测定。

同时,由于纳米金颗粒溶液的颜色与等离子体共振光谱密切相关[2], 因此基于纳米金颗粒的可视化检测大多采用等离子体共振法[3]。通常纳米金颗粒进行功能化,通过待测物质的加入诱导纳米金颗粒聚集, 改变溶液的颜色, 据此实现了微生物、蛋白质、金属离子、巯基化合物[4]的可视化检测。

本文对近年来基于纳米金银材料的可视化检测技术的原理和进展进行了综述,并展望该领域的研究和应用前景。

1 胶体金标记可视化检测技术

胶体金是一种弱碱性条件下带负电荷的稳定疏水胶体。通常由氯金酸(HAuCl4)在白磷、抗坏血酸、鞣酸等还原剂的作用下,聚合生成不同粒径,也就是不同颜色的胶体金颗粒形成的。

胶体金由于制备简单、粒径可控、生物兼容性好等优点在可视化检测中得到了越来越广泛的应用。目前应用主要集中在胶体金标记技术和胶体金免疫层析(GICA)法上,用于检测蛋白质、微生物和抗双链DNA抗体等,具有简单、快速、准确和无污染等优点。

胶体金由于自身所带负电荷,可与酶、蛋白A、抗体、激素、毒素、糖蛋白、抗生素等生物大分子的正电荷基团形成牢固的静电结合,而且对生物活性无影响,也可以通过SH-Au 键结合DNA,是一种常用的抗原抗体、DNA的示踪标志物。在金标蛋白结合处,由于金颗粒具有高电子密度的特性,在显微镜下可见黑褐色颗粒,当这些标记物在相应的配体处大量聚集时,呈现肉眼可见红色或粉红色斑点,称之为金标技术。自 1971 年 Faulk 和 Taylor[5]将多克隆抗体与纳米金结合,用直接免疫细胞化学技术检测表面抗原后,纳米金做为一种标记技术得到了更为迅速和广泛的发展。Mirkin等[6]将互补的靶DNA加入纳米金标记溶液中,杂交后形成以DNA杂交体为纽带的多个Au纳米粒子构成的纳米金/寡核苷酸网状聚集物,使纳米金颗粒间的距离拉近,溶液颜色由红色变为蓝色,用肉眼就可直接观察到结果。

通常,金标技术用于定性或半定量的快速检测方法中,Holgate教授[7]改进并发展了用银显影液增强光镜金颗粒可见性的染色法,即引入银离子小尺寸效应,使金颗粒具有很强的催化还原作用,将周围的银离子还原成颗粒状的银原子沉积于表面,这些银颗粒又可以进一步催化还原周围的银离子,这种级联瀑布催化作用使得银颗粒越积越多包裹纳米金颗粒,聚积成团状银壳,形成肉眼可见的黑色银染信号,可直接进行可视化检测,也可以采用普通的数码相机或平板扫描仪获得分析信号的灰度,通过软件处理图像中各个点的灰度值,可定量获得待测物浓度值,节省了激发光源、光谱仪、滤光片等光学器件,更易普及与推广,称为金标银染技术(GLSS)。

金标银染技术在蛋白质芯片的可视化检测中广泛应用。在芯片基片上固定抗原、抗体或者DNA[8],制备成多靶点蛋白微阵列,并与生物素标记的抗原反应,然后经金标银染技术显色,使蛋白微阵列的反应结果以显色方式呈现[9]、直接观察芯片的可视化反应结果[10],成功检测了 7 种结核分枝杆菌[11]、AI、ND、IB、IBD 等 4 种禽病血清抗体[12]、土拉弗朗西斯菌等[13]。

金标银染法与荧光检测方法相比,选择性可高出3倍,而灵敏度则可提高100倍之多。在蛋白质检测方法上, 常用的银染法具有很高的灵敏度[14], 但同时实验操作也较繁琐、微小的污染也会极大降低检测灵敏度。

随后,金标银染的信号放大技术迅速发展,主要是酪胺信号放大技术(TSA-GLSS)和量子点银增强染色。

酪胺,即对羟基苯乙胺,一种小分子生物胺,易氧化,是酪氨酸的肠菌脱羧产物,具有重要的生理作用,可作为辣根过氧化物酶(HRP)的作用底物。酪胺信号放大的主要原理是将酪胺盐交联上生物素,利用催化H2O2氧化酪胺盐,形成共价键,使大量的生物素沉积在要放大的信号位点上。由于亲和素或链霉亲和素与生物素的特异性反应,信号位点上存在的大量生物素。当滴加亲和素化的HRP(Avidin-HRP)时,HRP就会大规模沉积在信号周围,这样就使原始信号得到几何级的放大[15,16],可以使ELISA分析、免疫印迹及蛋白微阵列的反应结果以显色方式呈现。一般情况下,比常规GLSS 法的检测灵敏度提高 10~100倍[17,18]灵敏度与TSA-荧光相同,对于伤寒沙门氏菌和痢疾志贺菌检测限达到103 CFU/mL[18]。

由于 TSA-GLSS 的步骤较多,操作时间比较长,石霖课题组[12],简化了信号放大过程,将标有生物素的产物与链霉亲和素-HRP复合物结合,然后再与酪胺-Au 进行反应。比TSA-GLSS省略一步,简化了检测过程,缩短了检测时间。

量子点银增强染色是近几年发展起来的的信号放大技术。陈洪渊教授[19]利用链霉亲和素修饰的 CdTe量子点催化Ag+还原成单质Ag沉积于量子点周围,形成肉眼可见的黑色颗粒,结合蛋白质芯片分析技术平台,建立了一种基于量子点银增强显色的可视化检测新方法。张春[20]发展了TSA 和量子点银增强染色,建立了酪胺信号放大-量子点标记银染增强(TSA-QDS)的基因芯片可视化检测方法。先通过生物素与链霉亲和素的特异结合在靶标上引入HRP,然后通过HRP催化沉积生物素标记的酪胺分子沉积在酶位点,再通过生物素与链霉亲和素的特异结合而导致量子点沉积,最后通过量子点银染色增强,实现基因芯片的可视化检测。

胶体金标记技术和免疫层析技术相结合产生了胶体金免疫层析法,是20 世纪 80 年代末发展起来的一种快速免疫学测定方法。主要是利用微孔滤膜的渗滤浓缩和毛细管作用,使抗原抗体反应在固相膜上快速进行,然后用胶体金标记的抗体来直接显色,阳性反应在膜上呈现红色,阴性反应则不形成红色,测试过程只需 10 min 左右。

在胶体金免疫层析技术基础上,周国华课题组[21]结合聚合酶链反应建立了一种可视化核酸试纸条检测乙肝病毒核酸的方法。使用一对特异的两端分别修饰有荧光素和生物素的引物,扩增从血清中提取得到的病毒基因组。扩增产物直接与展开液混合后点在试纸条的加样孔处,通过毛细作用运动。当有待测物时,修饰的生物素的扩增产物首先与金标垫上修饰有异硫氰酸荧光素的胶体金结合,然后流动到达检测线,检测线上固定的抗荧光素抗体捕获一端修饰有荧光素的扩增产物,产生红色的条带。当扩增产物不存在时,胶体金颗粒无法停留在检测线处,而被质控线上的生物素捕获。直接判断阴、阳性结果。

总之,胶体金可视化检验技术方便快速、无辐射,检测仪器简便,而且没有荧光淬灭,近年来已越来越多地用于DNA和蛋白质、微生物检测的研究。

2纳米金银颗粒等离子体共振可视化检测技术

表面等离子体共振是由金属纳米颗粒或者不连续的金属纳米结构中电荷密度的振荡引起的电磁波。当光以表面共振角入射到金属纳米材料上,产生衰减波。当衰减波在金属表面与自由电子耦合,则发生表面等离子体共振,使金属纳米材料表面的局部电场增强,表现出较强的吸收和特有的颜色。金纳米颗粒和银纳米颗粒都有强烈的等离子体共振吸收、散射特性[22],分别呈现特有的红色和黄色,而且随着纳米金银粒径的增大其吸收峰的位置发生红移,粒径减少吸收峰的位置发生蓝移[23]。

纳米金银颗粒等离子体共振可视化分析已有成功应用例子。在金纳米颗粒吸附一些识别分子,如,含有多巯基的木瓜蛋白酶[24],半胱氨酸[25]、DNA[26]、柠檬酸盐、人工合成的T-SH配体(如N-1-(2-巯基)胸腺嘧啶、胸腺嘧啶乙酰氨基乙硫醇T-SH功能化)[27]、罗丹明B、谷胱甘肽等,可以识别一些重金属离子[23](汞离子、铅离子和铜离子)、三聚氰胺等,而这些离子的加入使金纳米颗粒发生聚集,同时溶液的颜色则会从红色变为紫色或者蓝色,用肉眼就可以直接检测。

金纳米颗粒与半胱氨酸之间的Au-S共价键作用导致金纳米颗粒等离子体共振吸收红移, 建立了一种通用性的氧化性小分子的可视化分析方法,也可以利用Cu2+与金纳米颗粒-半胱氨酸复合物的巯基之间的氧化还原作用,测定检测水环境中Cu2+[25]。当氧化性小分子如 H2O2、单线态氧(1O2)存在时, 半胱氨酸的巯基被氧化成-S-S-键, 使半胱氨酸诱导金纳米颗粒聚集的能力降低,从而金纳米颗粒的等离子体共振吸收峰由740 nm蓝移到531 nm, 溶液颜色逐渐由蓝变红,据此实现了氧化性小分子的可视化检测[28]。

纳米银也具有等离子体光散射、表面增强拉曼散色效应强和催化活性等独特的物理化学性质,常用于可视化检测。刘跃等[29]制备吸收及散射均在可见区的纳米银,固载于载玻片上的蛋白质吸附银纳米粒子,等离子体共振吸收及散射也随之发生改变,使银纳米粒子溶液呈现不同的颜色,建立可视化检测蛋白质在载玻片上最小完全固载量的方法。银纳米颗粒表面在CuCl2和KI同时存在下,I-被氧化为单质碘,单质碘能将银纳米颗粒氧化成Ag@AgI复合纳米颗粒,显著影响银纳米颗粒的光学性质,使其等离子体共振吸收和散射光谱发生明显变化,在普通LED灯光照射下,可以清楚观察到散射光的变化,从而实现对I-的可视化检测[27]。Ba2+能使黄色的AgNPs的颜色改变,实现可视化测定[30]。

除了银颗粒等离子体共振可视化检测之外,李慧等[1]利用纳米银离子催化性,以寡核苷酸为连接分子制备生物素修饰的纳米银探针,建立纳米银催化同种金属离子的特异性还原显色反应。

3 结 语

可视化检测由于其对仪器要求低、操作简单,作为一种快速检测的有效方法得到了发展。但可视化检测仍有一定的局限性,为了进一步提高检测的灵敏度和选择性,纳米金银用于可视化检测已成为近几年研究的热点,并已成功应用于实际样品中微量及痕量微生物、蛋白质、重金属离子等物质的检测。随着纳米科技的发展,纳米材料新的特异性能将被进一步发现,在此基础上,探索和研究纳米金银材料在可视化检测中的新原理,设计制造性能优异、环境友好、简单实用的新型可视化纳米金银探针,建立简单、快速、高灵敏度、高选择性的可视化检测新方法是该领域今后的主要发展方向。

摘要：纳米金银材料由于独特的光学性质和生物相容性,在可视化检测中应用广泛。本文综述了近年来基于纳米金银材料的可视化检测的原理和研究进展,指出制做可视化检测的新型纳米金银探针,建立简单快速高灵敏度高选择性可视化检测新方法是该领域今后的主要发展方向。

篇5：复合材料结构可视化检测中的损伤面积测量

1 并行遗传算法

遗传算法始于一个初始群体, 群体中的个体都要进行这三种运算。运算后的结果如自然选择一样, 比初始群体具有更好的适应性。并行遗传算法就是一种很好的选择, 它能很容易的实现并得到一个很好数值解。除此之外, 并行遗传算法比遗传算法运算速度更快, 并且能得到一个更优结果[2,3,4,5]。标准的遗传算法以群体集合为运算对象, 对个体所进行的各种遗传操作都有一定的相互独立性, 所以它具有一种天然的并行结构。由于遗传算法的天然并行性, 人们认识到了对其进行并行处理的可能性, 从而基于各种并行计算机或局域网开发了多种并行遗传算法 (Parallel Genetic Algorithm, 简称PGA) 。开发并行遗传算法的主要目的是为了提高遗传算法的运算速度[7,8]。

2 目标函数

损伤由刚度减小率βi表示, 定义为减小刚度与初始刚度的比值。损伤结构的刚度矩阵[Kd]表示所有单元矩阵乘以减小因数的和[4]:

βi=0表示结构未损伤, 0<βi<1表示结构部分或全部损伤。

频率变化:

式中:下标0———初始未损伤状态;

λi———第i个特征值;

ωi———第i个频率。

模态保证标准:

式中:φiu———未损伤的第i阶模态向量;

φid———损伤后的第i阶模态向量。

MAC是一个无量纲的量, 范围从0到1, 代表了两组模态向量之间的关联程度, 1指完全关联, 0指完全不关联。

目标函数:

Fλ, 0, FMAC, 0表示结构未损伤时的值 (β=0) 。FD表示损伤补偿函数。当损伤补偿函数加到目标函数中, 还要包括最小损伤。由此, 由计算误差引起的错误损伤检测就可以避免了。罚函数如下:

此等式由Meruance和Heylen提出, 补偿了全部的损伤, 常数γ取决于计算模型的精确度。

最优问题定义如下:

3 算例

3.1 计算模型及基本假定

用一跨预应力混凝土简支梁进行数值模拟, 为了更好地观察结果, 简支梁外伸形成悬臂梁。如图1所示, 该模型有30个单元, 31个节点, 弹性模量是3.0×1010Pa, 密度是2500kg/m3, 面积是0.06m2, 惯性矩是4.5×10-4m4。

模态观测数据用结构的有限元模型模拟获得, 损伤用弹性模量折减来模拟。损伤工况设计如下[5, 7, 10]:

工况一:10号单元10%损伤, 20号单元35%损伤;

工况二:10号单元20%损伤, 20号单元35%损伤;

工况三:10号单元35%损伤, 20号单元35%损伤。

3.2 初始参数的确定

为了提高收敛速度, 避免过早收敛, 遗传算法的参数和算子取值如下:种群大小:N=75;变异概率pm=0.02;交叉概率ps=0.8。初始种群值为1[5,6,7,8,9]。

3.3 计算结果与讨论

迁移时段如图2所示, 以敏感度分析定义。得到的最优迁移时段是70。图3示出的是通过并行遗传算法收敛率的提高。

并行遗传算法 (PGA) 求解最优解的时间是500多秒钟, 而遗传算法 (GA) 则需要1000多秒。并行遗传算法运算时间是遗传算法的0.5倍。

三种工况的下的损伤探测如图4所示。

从图中可以看出, 损伤检测结果已经达到了完美的程度, 和模拟的损伤很接近, 但并不能说明实际的应用当中也有很好的应用, 所以这方面的研究工作将在以后进行讨论。

4 结论

本文提出了并行遗传算法检测结构损伤的方法。数值模拟结果表明相比于遗传算法, 并行遗传算法在表现上更进一步, 在计算结果相同的条件下, 计算速度是遗传算法的1.5倍。因此, 对于明确问题的并行遗传算法可以使结果得到改进。

本文提出的方法只是针对于预应力简支梁桥模型的损伤识别进行了研究, 对于其他结构, 如高层结构、框架结构等的损伤识别同样有很好的表现。提出的并行遗传算法定位、定量的识别了模拟的损伤, 但是没有考虑损伤发生时刻的检测。其在实际结构损伤中的应用也未做具体的分析实验。这些将在以后进行研究分析, 在损伤识别领域中, 并行遗传算法会有更好的发展。

参考文献

[1]Mares, C.and Surace, C.An application of genetic algorithms to identify damage in elastic structures[J].Journal of Sound and Vibration, 1996, (195) :195-215.

[2]袁颖.遗传算法在结构损伤识别中的应用研究[J].防灾减灾工程学报, 2005, 25 (4) :114-116.

[3]曾国荪.并行遗传算法分析[J].计算机工程, 2001, 29 (9) :96-98.

[4]Meruane, V.and Heylen, W.Damage detection with Parallel Genetic Algorithms and Operational Modes[J].Structural Health Monitoring, 2010, (9) .

篇6：房产测量中的面积测算与思考

1 面积测算的基本规则

房产测量中的面积测算遵照《房产测量规范》中的要求, 在房产产权面积、产权纠纷、产权登记以及房产产权的转移、处理中起着重要的作用, 但其结果与竣工验收建筑面积有较大的差距。其测算基本规则有以下7 点: (1) 层高≤2.20 m或净高<2.10 m的房屋不计算其面积。 (2) 对全封闭的阳台、挑廊进行全面积计算;对于未封闭的阳台、挑廊, 按照50%的面积计算, 不需要计算露台的面积。 (3) 对于多柱雨篷, 需要根据柱外围的投影面积计算其面积;对于无柱雨篷, 不需要计算其面积。 (4) 对于永久性结构的有顶盖室外楼梯, 需要根据各层的水平投影计算其面积;对于永久性结构的无顶盖室外楼梯, 按照50%的面积计算;对于室外直跑楼梯, 其建筑面积等于一次性水平投影的面积。 (5) 如果房屋顶盖是利用高架桥、引桥建造的, 则无需计算其面积。 (6) 当飘窗净空高>2.1 m、窗台台面与房屋地面距离<0.3 m、窗户凸出房屋外墙0.5 m时, 需要按照凸出部分的投影面积计算凸出部分的面积。 (7) 当门廊、门斗采用围护结构或有柱体支撑时, 需要根据围护结构外围、柱体的水平投影面积计算门廊、门斗的面积;当门廊采用独立柱或单排柱时, 按50%的面积计算。

2面积测算的重点内容

2.1伸缩缝面积的计算

在《房产测量规范》中, 当房屋有伸缩缝且其与室内连通时, 需要计算伸缩缝的面积。根据此要求, 伸缩缝面积的计算产生了2 种观点: (1) 房屋伸缩缝只要与室内相通, 则需要计算整个伸缩缝的面积; (2) 对于与室内相通的房屋伸缩缝, 只需要计算通行部分 (房屋的门) 伸缩缝的面积, 无需计算其他部分的面积。

在第二种观点中, 虽然所计算的通行部分伸缩缝的面积较小, 但其会影响面积测算的准确度, 且其计算过程非常烦琐。因此, 第一种测算观点比较科学。

2.2 阳台面积的计算

阳台是房屋的重要组成部分。在《房产测量规范》中, 阳台分为2 种结构, 即全封闭围护结构和半封闭维护结构。《房产测量规范》针对的是标准阳台, 而在实际测算中, 阳台顶盖的形式丰富多样, 比如隔层有顶盖、其他构件有顶盖、顶盖不与底板和围护结构在同一竖直平面等。因此, 常出现阳台顶盖与底板、维护结构的投影有差异的情况。对于未完全被顶盖覆盖的阳台, 其未被顶盖覆盖的部分可视为无顶盖, 不需要计算其面积;对于顶盖的投影面积超过围护结构面积的50%的阳台, 需要计算其面积;对于顶盖的投影面积未超过围护结构面积的50%的阳台, 无需计算其面积;对于隔层有顶盖的阳台, 可视为无顶盖的阳台, 且因顶盖的保护作用不明显, 不需要计算其面积。

2.3 商住楼楼梯面积的计算

对于商住楼的梯间而言, 由于其上、下两部分的功能不同, 结构也有所差异。因此, 在测算中, 应采取商业楼层非自用楼梯间与屋顶楼梯间全楼分摊、住宅层楼梯间由住宅分摊的计算方式, 严格遵循“谁受用, 谁分摊”的原则, 从而使全楼的面积测量具备整体性。

2.4 面积测算的量距检核和较差处理

在面积测算中, 测量数据的准确性会直接影响测算结果的可靠性。因此, 需要检核测量数据, 做好误差的校正处理。具体而言, 需要测量2 次房屋边长, 且应使用合格的手持测距仪或钢卷尺 (测量单位为cm) , 并按照规定进行较差处理, 取两次测量的中间值作为最终结果。对于矩形房屋的尺寸检核, 如果较差≤5 cm, 则取中间值作为边长的测定结果;当较差>5 cm时, 则应重新测量。在分段丈量边长时, 全长即测量的总长度, 其较差不能>5 cm, 并根据适当的比例分配。边长的平差公式为:

式 (1) 中:ΣD和D为分段丈量边长的总和、总长;Δd为较差;K为改正系数;i为边长的序号;Vi为某边长的改正量。

对于特殊的边长平差, 其分配需要注意以下3 点: (1) 对于商住楼而言, 在调整其边长平差时, 要使上、下楼梯的尺寸一致, 单进双不进的进位处理要参照楼梯尺寸, 以防出现上、下楼梯尺寸不一的情况; (2) 当房屋套型相同时, 房屋边长的尺寸应一致, 以免出现同套型房屋面积测算结果不同的情况; (3) 在边长的改正中, 由于分段长不一定等于总长, 因此, 在分配剩余误差较小等情况下, 可不改正边长, 保持总长与分段长之和相等即可, 以免出现问题。

3 结束语

我国房产测量中的面积测算工作起步较晚, 正处于规范化、专业化的发展阶段, 还存在许多不足之处。因此, 相关人员需要加强对面积测算工作的研究, 了解其基本规则, 掌握测算要点, 并做好测量数据的检核和较差处理, 从而有效提高房产测量工作的水平, 充分保障购房者的权益, 为我国房地产行业的发展提供帮助。

摘要：房产是居民主要的私有财产之一。在当前的商品房制度下, 房价居高不下, 而房产测量中的面积测算与消费者的利益密切相关, 因此, 做好房屋的面积测算工作十分必要。介绍了面积测算中易发生的问题, 并提出了相应的解决办法, 以期提高面积测算的准确性, 充分保障房产供购双方的利益。

关键词：商品房,面积测算,房产测量,阳台

参考文献

[1]陈丽佳, 符湛斌.房产测量中面积测算问题的几点体会[J].北京测绘, 2011 (02) .

[2]李剑, 侯伟娜.房产测量中的面积测算及相关问题[J].青海国土经略, 2011 (04) .