土木工程结构损伤识别方法的研究综述

土木工程结构损伤识别方法的探讨综述 摘 要 近年来，随着传感技术、信号采集与处理等技术的发展，土木结构的损伤识别探讨已经提出了很多方法．本文系统的阐述了结构损伤识别方法，然而，将这些方法应用于实际工程中遇到了很多困难．基于近20年来国内外损伤识别的探讨和应用现状；重点叙述了土木工程结构损伤识别方法并系统地综述了为解决这些问题而提出的一些方法；对有待于进一步探讨的问题进行了展望。 关键词结构损伤 检测方法 综述 引言随着世界经济与科学技术的快速发展,现代结构设计不断呈现出大型化、困难化、多样化的趋势,而这些结构设计运用寿命较长、影响力较大,一旦失事,将会造成严峻的生命财产损失。因此,为了保障结构的平安性、完整性与耐久性,在很多新建的大型结构和基础设施上增设了长期结构健康监测系统,对结构状态进行实时监测,为实现结构状态评估供应依据。结构损伤识别Structural damage identification作为结构健康监测技术的核心,对驾驭结构工作状态以及评估结构平安性具有重要的意义。尽管在过去的20年内结构损伤识别得到了广泛的探讨,但离实际工程应用还有肯定的距离,还须要进行深化探讨。本文首先系统地综述了近20年来国内外发展起来的损伤识别方法；然后提出了该领域中有待于进一步深化探讨的问题。 据损伤对结构的作用，可将其分为线性损伤和非线性损伤。假如线弹性结构在遭遇损伤后仍保持线弹性，则将这种损伤定义为线性损伤。结构几何或材料特性的变更会导致模态变更，但结构的响应仍旧可以应用线性运动方程模拟。初始线弹性结构在损伤发生后表现出非线性行为，这类损伤称为非线性损伤。比如结构中疲惫裂纹的形成以及在正常运营振动环境下的张开和闭合。损伤识别可分为4个递进层次。 ① 确定结构中是否存在损伤Detection。 ② 在第一层次的基础上确定损伤的几何位置Localisation。 ③ 在其次层次的基础上对损伤的严峻程度进行量化Assessment。 ④ 在第三层次的基础上预料结构的剩余运用寿命Prediction。 迄今为止，对于不运用结构模型的基于振动的损伤识别方法，主要能进行第①层次和第② 层次的损伤识别。当振动的方法与结构模型结合，在某些状况下可以达到第③层次的损伤识别。而第④层次的损伤识别与预料通常要与断裂力学，疲惫寿命分析，结构设计评估的领域相结合才可能实现。现有探讨主要集中在线性损伤的识别和检测问题。这种线性方法可进一步分为基于模型的识别方法和不基于模型的识别方法 1、 基于模型的损伤识别方法 1.1模式匹配法Pattern Matching。 其主要思想是首先获得结构全部可能损伤状况下的响应变更特征向量,然后将实际测得的响应变更特征向量依次与它们进行比较,与测量值最匹配的哪个损伤模式被认为是结构实际的损伤邱洪兴[1]从多元统计中判别分析的思想动身提出了一种利用动力信息进行损伤定位的方法。赵启林[2]从模式匹配的思想动身提出了一种利用静态信息进行结构损伤定位的方法。张力[3]基于模糊模式识别技术Fuzzy pattern recognizationtechnology,以国际桥梁维护和平安协会International Association for BridgeMaintenance and Safety,缩写为lABMS的桥梁健康监测委员会提出的两跨桥梁benchmark模型为例,提出了结构损伤模式识别的两步法,用于识别结构损伤类型和程度。这种方法要求事先列举结构可能发生的损伤基准模型,因此在实际工程应用中难以实现。 1、2指纹识别方法（即损伤指标方法） 1.2.1基于固有频率变更的损伤识别方法 固有频率是模态参数中较简洁获得的一个参数，结构发生损伤时，刚度和阻尼发生变更，尽而其固有频率发生变更。因此通过固有频率的变更可以推断结构是否存在损伤 [4]，在1969年Lifshitz和Rotem年提出通过结构频率的变更进行损伤检测伤 [5] , Salawu对利用频率的变更进行损伤检测作了全面的综述 [6] Morassi和Rovere通过使结构前几阶分析频率和测试频率相吻合，用优化算法对钢框架的切口损伤进行了损伤定位，指出在优化过程中设定一些合理的约束条件的重要性[7],但利用固有频率方法难以进行损伤定位和评估损伤程度，缘由是结构不同部位的损伤可能造成相近的频率变更，如对称结构中对称位置的损伤引起频率的变更量相同，基于频率的损伤识别方法便不能识别对称结构在对称位置的损伤；当结构早期损伤量很小时，固有频率的变更主要表现在高阶频率上，而高阶频率的变更很难获得，因此这种方法对结构早期的小损伤不敏感。 1.2.2 基于振型变更的损伤识别方 振型的变更相比于频率变更来说对损伤更为敏感，West可能是第一个系统地利用振型信息进行结构损伤定位的学者[8]。该方法常用的损伤识别有模态保证准则modal assurance criterion，MAC [9]和坐标模态保证准则coordinate modalassurance criterion，COMAC [10]、位移模态、曲率模态、应变模态等．振型尤其是高阶振型对局部损伤比较敏感，但却难以精确测量，从而使得MAC和COMAC的识别误差较大．曲率模态方法的识别率优于其他几种方法，但求解曲率模态须要很高的测量精度，同时须要特别密集的测点，以便运用中心差分法求取曲率模态，否则将增大曲率模态振型的误差． 1.2.3 基于刚度变更的损伤识别方法 结构发生较大的损伤时，其刚度矩阵比质量矩阵要发生显著的变更，因此很多学者利用此特征进行探讨[11]，但是这种方法对微小损伤的结构无法识别 [12]。 1.2.4 基于柔度变更的损伤识别方法 结构发生损伤，其柔度会增加，因此，可用结构柔度矩阵的变更作为损伤检测的依据。主要包括柔度差法和柔度曲率法．在相同的试验模态参数条件下，基于柔度变更的损伤识别方法比刚度变更的方法对损伤更为敏感，并且柔度矩阵中高阶模态参数的影响可以忽视，只需一些低阶模态就可得到较为精确的柔度矩阵．但是通过柔度矩阵的变更也只能确定结构损伤的大致位置，不能得到损伤的精确位置及损伤程度．有的学者考虑采纳柔度法与模糊算法或神经网络算法相结合，取得了较好的结果． 1.2.5 基于振型曲率变更的损伤识别方法。 对于梁板式结构，主要是担当横向外力和由外力引起的弯矩，结构在弯矩作用下的曲率会由于结构损伤发生变更，因此，曲率的变更可作为损伤检测的信息。Pandey等首先提出用损伤前后振型曲率变更的肯定值来推断损伤位置，即曲率变更最大处为损伤位置[13]。同时，振型曲率变更大小还和损伤程度有关，损伤越大， 曲率变更越大， 由此可鉴别损伤程度。Ratcliffe探讨了结构在小损伤状况下干脆利用振型曲率难以判别结构损伤的状况，提出对判别点相邻点的振型二阶差分值进行三次多项式差值，然后计算判别点处差值函数和二阶差分的差， 该值能够较好地反映梁结构的损伤大致位置[14]。 1.2.6 基于残余力向量的损伤识别检测方法。 残余力向量中非0元素的位置反映了与该位置相连