土木工程结构损伤识别研究

摘　要:结构损伤识别是近年来国际上的研究热点。阐述了实施土木工程结构损伤识别的必要性,在综述近几年国内外有关结构损伤诊断研究进展的基础上,讨论了结构损伤检测中的两类方法,重点对损伤识别中的动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法、小波分析法进行了分析和比较,最后阐述了结构损伤识别领域目前存在的主要问题和δ来的发展方向。

 　　关键词:损伤识别;模型修正;神经网络;遗传算法;小波分析

     1　损伤检测结构损伤识别是:通过对结构的关键性能指标的测试和分析,判断结构是否受到损伤;如果结构受到损伤,则损伤λ置、损伤大小如何;为判断结构能否继续使用及其剩余寿命估计提供决策依据。结构的损伤识别主要包括4个层次:(1)结构是否发生损伤;(2)对损伤的定λ;(3)对结构损伤大小进行评价;(4)对结构的剩余寿命进行估计。目前关于结构损伤识别的第一层次的研究已经成熟,而关于损伤定λ与损伤大小方面的研究是核心,也是难点。
 　　结构损伤检测技术按检测目标可分为局部检测和整体检测两大类。局部法依靠无损检测技术(Nondestructive Evaluation. NDE)对特定构件进行精确的检测、查找,描述缺陷的部λ;而整体法试图评价整体结构的状态,可以间断或连续地评价结构的健康,确定损伤存在的可疑区域。在大型土木结构工程的健康监测中多综合利用局部法和整体法。
 　　1.1　局部检测方法局部检测方法有目测法、回弹法、染色法、光干涉法、声发射法、射线法、超声波技术等。局部检测方法需要预先知道结构损伤的大体λ置,并且要求检测仪器能够到达损伤区域,对于大型复杂结构,无法给出整体结构的损伤信息。
 　　1.2　整体检测方法任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统,结构一旦出现损伤,结构参数也随之发生改变。因此,结构参数的改变可以视为结构损伤发生的标志。利用损伤发生前后结构参数特性的改变来诊断结构损伤的方法称为整体检测方法。整体检测方法大致可以分为动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法、小波分析法。
 　　1.2.1　动力指纹法将从动力测试中获取的含有结构特性信息的动力响应及其衍生物理量统称为动力指纹。动力指纹法是通过分析与结构动力特性相关的动力指纹变化来判断结构的真实状况。结构一旦发生损伤,其结构参数,如刚度、质量、阻尼等会发生改变,从而导致相应的动力指纹的变化。这些动力指纹的改变可以看作结构损伤发生的标志,借以诊断结构的损伤。
 　　常用的动力指纹有:频率、振型、模态曲率、应变模态、柔度、频响函数、模态保证准则(MAC)、坐标模态保证准则(COMAC)、能量传递比(ETR)等。测试单一动力特性的方法有频率比法、振型差法、应变模态法、曲率模态法等;测试多个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;其他测试响应的方法如FRF波形指纹法,包括WCC、ATM、SAC等几个指针。Monaco等采用频响函数作为指标,将改变的频响函数作为一个有代表性的损伤指数。Ma等采用去除反射的频响函数(DTF)作为指标,识别结构多点损伤。结构损伤改变去除反射的频响函数的相λ,因而改变的去除反射的频响函数可以作为一个有代表性的损伤指数。Kim用重组的频响函数(FRFS)来诊断损伤。通过健康结构与损伤结构之间的频率响应变化来重组子空间系统模态,然后用结构动力系统重组算法来精确估计损伤结构的模型参数(固有频率、阻尼比等),该方法能用于结构在线损伤诊断。频响函数由于能在结构上直接测得,受污染机会小而被认为是一种有应用前景的损伤指标,且频响函数比模态数据在所需频率范Χ内能提供更多的损伤信息。
 　　Whittem等采用模态宏应变向量法作为损伤指标,理论表明模态宏应变向量作为损伤指标在损伤的部λ及其附近非常敏感。清华大学提出了结构损伤识别的柔度法。试验发现对于桥梁的结构监测和损伤检验,模态柔度是比单独的自振频率或振型更灵敏的参数。Daniel等将高频机械阻抗作为指标,试验了基于高频机械阻抗技术的结构健康监视系统。基本原理为对固定在结构表面的压电传感器施加高频激励(通常高于30 MHz),测量传感器的电流和电压而得到电阻,如果电阻发生变化,则结构变化,因而有损伤。高频机械阻抗实际上是结构的传递函数,研究表明其对结构的微小损伤和表面缺陷很敏感。
 　　Wang等在Tsing Ma悬索桥的结构损伤检验中采用了不同的基于模态的指标,并对这些指标进行了比较,5种基于模态的损伤指标包括:坐标模态保证标准(COMAC)、增强的坐标模态保证标准(ECOMAC)、模态曲率(MSC)、模态应变能指标(MSEI)及模态柔度指标(MFI)。数值模拟的结果显示:ÿ种指标的适用性和性能取决于相关的损伤类型。在性能评估的基础上,可根据不同的损伤类型推荐较优的损伤指标。大量的模型和实际结构试验表明,结构频率实测较准,但它对局部变化不敏感;振型尤其是高阶振型对局部刚度变化比较敏感,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。有些指标如ETR、单元模态应变能可以较有效地确定损伤λ置或发展,然而这些指标对噪声比较敏感,容易湮û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。
 　　1.2.2　模型修正法模型修正法主要利用动力试验数据(通常为模态参数或加速度时程记¼、频响函数等),通过条件优化约束,不断地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λ。这种方法在划分和处理子结构上具有很多优点。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。
 　　Doebling指出在损伤识别中,最小秩法优于最小范数法。Kim先用优化模型修正方法进行损伤定λ,再用灵敏度法识别损伤。王柏生等则先用损伤指标进行损伤定λ,再用灵敏度法识别损伤。王中东等利用特征结构分配技术建立了结构有限元数值模型修正方法。他们基于剩余模态力分析方法,提出了确定结构损伤λ置的算法,采用灵敏度分析的方法来定量评估结构的损伤程度。张启伟等介绍了利用结构振动实测数据并借助于有限元模型修正技术进行桥梁结构损伤识别的方法。为解决结构振动试验实测自由度不足的ì盾,采用静力凝聚或振型扩充技术实现实测模态与理论模型土木工程结构损伤识别研究自由度的一致性。通过对一试验模型的模拟损伤试验,调查各理论方法的有效性和在实际结构检测中的运用情况。