1、结构损伤识别研究现状及展望摘要：对现有的结构损伤识别技术进行了综述，对结构损伤识别技术进行了简要介绍，并根据其特点指出了其适用环境和优缺点，最后，对今后结构损伤识别技术的发展方向做了展望，以促进结构损伤识别技术的研究。 关键词：损伤程度；损伤位置；损伤识别 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 引言 结构在服役期间一般存在着两种类型的损伤，即突发损伤和累积损伤。突发损伤是指由于自然灾害或人为因素引起的结构损伤，使损伤在短期内达到或超过一定限值，具有突发性和不可预测性。累积损伤是指结构在长期服役期间由于疲劳、环境腐蚀、材料老化等因素引起的结构损伤，达到一定程度便会引起破坏。累积损伤是
2、由微小的损伤裂缝引起的，具有缓慢积累的性质，而结构中的微小裂缝通常用肉眼或观测仪器观测不到，这种潜在的缺陷危险性更大，可能造成更大的经济损伤和安全事故1。 因此如何通过一定的监测手段和分析方法对结构进行检测与评估，以确定结构是否有损伤存在，进而判别损伤的位置和程度，以及结构的现状、使用功能和变化趋势等，是很多学者十分关注的问题。 1 结构损伤诊断的研究现状 1.1 结构损伤诊断的目标 由于缺陷与损伤是不可避免的，结构的损伤诊断便伴随着结构物的诞生而产生。1993 年 Rytter 定义了结构损伤诊断目标的 4 个阶段：确定结构存在损伤；确定损伤的几何位置；定量确定损伤的严重程度；预测结构的剩余
3、使用寿命2。损伤诊断的理想方法应能够很好地完成以上 4 个阶段的目标，且尽可能不依赖于使用者的工程判断和结构的分析模型，对引起结构线性和非线性行为的损伤都能适用。对于复杂结构的定量整体损伤评估，结合试验模态分析技术的动力损伤诊断是一种目前公认的很有发展前途的方法集合了系统识别、振动理论、信号分析、传感器等跨学科技术，成为目前土木工程领域的研究热点之一。然而，实际上有许多因素影响着动力学方法进行结构损伤诊断的成功运用：测试时励与响应的考虑、信号的处理、计算模型的选择、识别算法的可行性、不确定信息的统计规律等。目前动力学损伤诊断研究可以认为集中于诊断方法及测试信息两大方面。 1. 2 结构损伤诊断
4、的方法 1.2.1 传统检测方法 传统检测方法有外观检查（如裂缝、变形、局部破损） 、无损检测(如超声波、声发射、X-射线等)及抽样调查等多用于材料特性以及局部缺陷的测试，需要事先知道损伤的大致部分且损伤部位可以接近，检查结果多依赖于检查者的经验及主观判断，不能从整体上定量把握结构性能，最大不足是要求预先知道发生损伤的区域，并且要求能够触及检测区域，而对于人力不能到达的区域是无能为力的。 1. 2. 2 静力试验方法 静力试验方法是通过给结构施加静力荷载，建立静力平衡方程，根据实测结果(静力响应等)得到静力参数(结构刚度、位移、应变、材料参数如弹性模量、惯性矩等)。在单元层次上，利用上述参数的
5、残差分析来识别损伤3。静力试验方法是获取结构信息的一种比较稳健的测试手段，也是目前普遍采用的方法。但是，由于静力实验的设备笨重、实验时间长、工作量大，影响结构的正常使用，还有可能对结构造成新的损伤。而且静力实验多为破坏性实验，只能抽样检测，不可能对所有的结构构件进行检测，所以不能完全反映结构整体的损伤情况。由于结构损伤分布的随机性，用静力检测难免发生漏检，对结构的安全造成隐患。 1.2.3 动力学损伤诊断方法 动力学损伤诊断的基本原理是结构的动力特性参数(固有频率、振型、阻尼比)与结构的物理参数(刚度、质量以及材料的本构特征)存在对应关系。结构损伤时物理参数的变化，必将引起动力参数的变化。因此
6、可通过动力测试来捕捉结构静动力参数的变化，从而进行结构损伤诊断。 现根据是否应用结构模型、是否进行反演计算等特点分类论述结构动力学损伤诊断方法。 1.2.3.1 无模型的识别方法 用于损伤识别的特征量与结构模型无关，直接由振动响应的时程和响应的谱分析得到，多用于机械领域。1994 年 Samman 提出了基于频响函数(FRF)的波形识别指标 WCC (WaveformChain Code)、ATM (Adaptive Temp lateMethods)、SAC (Signature Assurance Criteria)。1998 年秦权等把该方法应用于香港青马大桥的损伤识别，指出 WCC 和
7、 ATM 识别损伤的能力优于 SAC，但是它们都不能识别损伤的位置。 1.2.3.2 基于模型的无反演损伤指标定位方法 这种方法是基于动力参数的结构损伤诊断方法，直接由试验模型分析得到的模型参数或组合变换形成一个损伤识别指标，通过损伤前(基准参数)、后指标的变化来判断损伤的存在、位置和程度。作为一个损伤指标，它必须满足的条件有：应为局域量，对损伤位置敏感，是结构损伤位置的单调函数；有明显的位置坐标；在损伤位置有明显的峰值效应。通常用到的模型参数有：固有频率、位移振型、振型曲率、刚度矩阵、柔度矩阵、应变模态等。 固有频率 最早用于损伤诊断的参数是固有频率，结构的固有频率容易获得，且与测量位置无关
8、，测量精度较高。因此该方法具有简单易行的优点。但自振频率的改变，特别是基本自振频率的改变对局部损伤不敏感，原因是在不同位置的某种程度的损伤会产生相同程度的频率改变。而且各种不确定的情况，如支座条件、结构附属物、杆件不均一、测量噪音都直接影响这种方法的性能。总的来说其明显的缺点是：结构固有频率是一个全局量，对结构特征的局部变化不是很敏感；高阶频率对结构的局部损伤较低阶频率敏感，但又难于测量。 (2) 位移振型 该方法的原理是在结构损伤识别的研究中引入振型数据，使用模态保证准则(MAC) 或模态坐标置信因子(COMAC) 来确定观测振型数据在损伤前后的相关程度，当损伤发生时，模态置信度判据为 1，
9、反之为 0。该方法的缺点是一旦损伤发生，振型就会发生改变，那么模态置信判据就不等于 1 了。 (3) 振型曲率 1991 年 Pandey 等提出用振型曲率来诊断结构损伤的方法。对于梁类结构 V n=M /EI，式中 V、M、EI 分别为梁截面对应的曲率、弯矩和弯曲刚度。由于梁截面曲率与弯曲刚度成反比，由损伤前后弯曲曲率的差值可以识别结构的局部损伤。袁向荣通过对简支梁的研究发现：破损对简支梁的频率、某些阶的振型的影响不大；振型曲线在破损处有明显的尖峰；但以上三者对微小破损是无效的。1999 年，清华大学的邓焱、严普强做过类似计算,并通过位移模态的差分运算求取模态曲率。2002 年，昆明理工大学
10、的李功宇和郑华文对悬臂梁进行了数值仿真模拟。但该方法的不足之处在于：需要非常邻近的测点，以便利用中心差分法来求曲率模态；或者要求精度非常好的插值扩阶模态，否则将增大曲率模态振型的误差。由此可见，虽然结构的振型包括了更多的损伤信息，但这种方法由于需要非常密集的测点、测量振型不完整和噪声的影响问题，而不能得到广泛的应用。尤其当缺少破损影响较大的测量模态时，该类技术不能识别结构的损伤。 (4) 刚度矩阵 由于结构损伤多表现为结构刚度的下降，因此很自然地想到利用刚度矩阵来判断结构损伤。该方法应用的基本思路是:用实际测量所得的模态数据求得模态曲率、对应的模态惯性力，并由模态惯性力计算出相应的弯矩，然后根
11、据弯矩与曲率的关系计算出结构的刚度。经试验分析证明，当结构发生较大的损伤时,其刚度发生显著的变化。但是当结构发生较小的损伤(如小于 5 %) 时，刚度变化不明显，此方法也就无法对结构损伤进行识别。 (5) 柔度矩阵 该方法的主要原理是在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数。柔度矩阵 F 可以表示为： F = nr =1rTr2r 随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计。测量前几个低阶模态参数和频率，获得损伤前后的两个柔度矩阵的差值矩阵，求出差值矩阵中各列中的最大元素，通过检查每列中的最大元素就可以找到损伤的位置。由于柔度矩阵中模态贡献随频率的增大而减小，因此
12、只需一些低阶模态就可得到较为准确的柔度矩阵。由于高阶模态信息受测量噪音的严重影响，所以往往只能得到较为准确的低阶模态的信息。试验发现对于桥梁结构的结构监测和损伤检验，模态柔度是比单一的自振频率或振型更敏感的参数。 (6) 应变模态 用应变模态诊断结构损伤需要有先验知识，需要知道结构损伤的大体位置。用于损伤诊断的其他指标还有频响函数、荷载系数、瑞兹向量法等。而且对于真实的土木结构，只用一种损伤指标是不够的，目前为止，损伤类型和损伤指标之间的关系不是很明确。上述方法的应用结果也不是很理想。该类方法的成功应用还要依赖试验技术的发展、新的敏感的动力参数的发现和新的基准模型方法的建立。 当然，在动力学损
13、伤诊断方法中，除了无模型的识别方法和基于模型的无反演损伤指标定位方法外，还有基于模型的反演损伤识别方法等。1.3 测试信息 结构损伤诊断方法实现的前提是准确、适用的测试数据，研究者对动力测试数据的获取方式、信号处理等环节也进行了广泛研究。但是对于实际工程其体系复杂、庞大的结构物，难以用机械设备进行激振，往往采用地脉动或风脉动作用作为结构的输入激励。而且环境因素对结构损伤诊断的影响有时是很严重的。研究表明，从传递函数识别出的模态参数的可变性来自环境的影响有：温度梯度、使用的条件、以及测量和数据处理中的不确定因素。 环境因素对结构损伤诊断的影响有时比损伤引起的还要大。Wahab 等对一预应力混凝土
14、高速公路桥梁进行了冲击及脉动试验，发现温度下降15，频率变化 4%5%，而振型无显著变化。Peeters 等对一座桥梁(Z24-Bridge) 进行了一年的监测，研究发现正常的环境变化可引起结构频率发生 14%18% 的变化。Doebling 的研究表明，从传递函数识别出的模态参数的可变性来自环境的影响有：温度梯度、使用条件如车辆荷载、以及测量和数据处理中的不确定因素，可产生随机误差和系统误差。因此在用模态参数进行损伤诊断之前，需对环境造成的影响设定一置信区间，把由于温度变化引起的结构模态参数变化从由于结构损伤或其它原因引起的模态参数变化中分离出来。而小波分析、基于经验模态分解(EMD)的 H
15、ilbert-Huang 变换等信号处理方法则可以提供强有力的支持。 2 研究展望 结构损伤诊断是一门有着广泛前景的学科，虽然前人已经做了大量的研究工作，但基于结构损伤诊断是多个损伤分布在结构空间体系中，损伤症状与其成因和程度之间存在着复杂因果关系，其因素具有不确定性(随机性、模糊性、未确知性)，而且诊断过程有人的经验参与和环境的影响。为了准确地判断损伤发生的位置和大小，并且依据损伤情况判断结构的寿命，我们应致力于以下几个方面的研究： （1）进一步减小结构动力测试数据的误差，这就要求新型传感器和激振器的发展：光纤传感器、压电传感器、形状记忆合金传感器、微电子力学系统(MEMS)传感器和微型激振
16、器等。 （2）寻找对结构损伤更为敏感和抗环境干扰能力更强的动力参数，这将为大量存在的小损伤结构的诊断和有复杂环境干扰的损伤提供保证。（3）从单一的质量指标检测向综合质量鉴定发展，对大型结构进行系统的实时检测和维护机制的研究。 （4）对于结构损伤机理的研究，损伤的存在、位置、程度仍然是最主要的问题。而对于受损的结构的剩余承载力和结构寿命的研究是其最关键的也是到目前为止没有解决的问题。 参考文献： 1李伟结构损伤识别技术的发展现状与展望J山西建筑，2008. 2 Rytter，AVibration Based Inspection of Civil Engineering StructuresD. Ph. D. Dissertation. Denmark：Department of Building Technology and Structural Engineering，1993. 3 宗周红，任伟新，阮毅土木工程结构损伤诊断研究进展J土木工程学报，2003.
