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研究综述摘要: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研究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研究和应用现状；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；对有待于进一步研究的问题进行了展望。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、复杂化、多样化的趋势,而这些结构设计使用寿命较长、影响力较大,一旦失事,将会造成严重的生命财产损失。因此,为了保障结构的安全性、完整性与耐久性,在许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提供依据。结构损伤识别(Structuraldamageidentification)作为结构健康监测技术的核心,对掌握结构工作状态以及评估结构安全性具有重要的意义。尽管在过去的20年内结构损伤识别得到了广泛的研究,但离实际工程应用还有一定的距离,还需要进行深入研究。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入研究的问题。据损伤对结构的作用，可将其分为线性损伤和非线性损伤。如果线弹性结构在遭受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改变会导致模态改变，但结构的响应仍然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。比如结构中疲劳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在第二层次的基础上对损伤的严重程度进行量化(Assessment)。④在第三层次的基础上预测结构的剩余使用寿命(Prediction)。迄今为止，对于不使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，在某些情况下可以达到第③层次的损伤识别。而第④层次的损伤识别与预测通常要与断裂力学，疲劳寿命分析，结构设计评估的领域相结合才可能实现。现有研究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(PatternMatching)。其主要思想是首先获取结构所有可能损伤情况下的响应变化特征向量,然后将实际测得的响应变化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出发提出了一种利用动力信息进行损伤定位的方法。赵启林[2]从模式匹配的思想出发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(Fuzzypatternrecognizationtechnology),以国际桥梁维护和安全协会(InternationalAssociationforBridgeMaintenanceandSafety,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基于固有频率变化的损伤识别方法固有频率是模态参数中较容易获得的一个参数，结构发生损伤时，刚度和阻尼发生变化，尽而其固有频率发生改变。因此通过固有频率的变化可以判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化进行损伤检测伤[5],Salawu对利用频率的变化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，原因是结构不同部位的损伤可能造成相近的频率变化，如对称结构中对称位置的损伤引起频率的变化量相同，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，固有频率的变化主要表现在高阶频率上，而高阶频率的变化很难获得，因此这种方法对结构早期的小损伤不敏感。1.2.2基于振型变化的损伤识别方振型的变化相比于频率变化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(modalassurancecrite—rion，MAC)[9]和坐标模态保证准则(coordinatemodalassurancecriterion，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，但求解曲率模态需要很高的测量精度，同时需要非常密集的测点，以便使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基于刚度变化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化，因此很多学者利用此特征进行研究[11]，但是这种方法对微小损伤的结构无法识别[12]。1.2.4基于柔度变化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化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，基于柔度变化的损伤识别方法比刚度变化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略，只需一些低阶模态就可得到较为准确的柔度矩阵．但是通过柔度矩阵的变化也只能确定结构损伤的大致位置，不能得到损伤的准确位置及损伤程度．有的学者考虑采用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基于振型曲率变化的损伤识别方法。对于梁板式结构，主要是承担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改变，因此，曲率的改变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化的绝对值来判断损伤位置，即曲率变化最大处为损伤位置[13]。同时，振型曲率变化大小还和损伤程度有关，损伤越大，曲率变化越大，由此可鉴别损伤程度。Ratcliffe研究了结构在小损伤情况下直接利用振型曲率难以判别结构损伤的情况，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的单元可能发生了损伤。利用残余力进行损伤定位的好处是只需要知道结构完好状态下的刚度矩阵、质量矩阵和发生损伤后结构的模态参数，而不需要知道损伤后结构刚度矩阵和质量自己的变化。实际工程中，由于测量误差的影响和结构质量、刚度分布不均匀，利用残余力法可能会引起损伤定位误差。为此，Zimmerman和Kaouk提出利用矩阵行向量与振型向量的夹角是否为90。来判别损伤位置，其判别效果比直接用向量内积是否为0好[15]。周先雁等运用残余力法对钢筋混凝土试验钢架模型的损伤进行了准确定位[16]。Kosmatka和Ricles对空间桁架的试验研究表明，利用残余力法能够预测各种损伤工况下结构质量和刚度的变化置[17]。Rao等利用残余力向量构造目标函数，然后运用遗传算法进行损伤识别，并将该方法运用于平面桁架、悬臂梁和门式框架等不同的结构形式，取得了很好的效果置[18]。1.2.7基于单元模态应变能变化率的损伤识别方法。Shi等提出了单元模态应变能的概念，导出损伤单元前后的模态应变能变化率很大，与损伤单元相邻单元的模态应变能变化率较小，而远离损伤单元的模态应变能变化率很小的结论，因此，可将损伤前后单元模态应变能的变化率作为损伤定位的指标，并成功地运用上述结论分别对一平面桁架和框架结构的损伤进行了数值分析和试验研究[-5钔。单元模态应变能法已成功地应用于桥[23]、板[24]和悬臂结构[25]的损伤检测中。1.2.8基于传递函数(频响函数)变化的损伤识别方法。由于损伤引起的传递函数的变化是由损伤的类型和位置唯一确定，Jiann—ShiunLew于1995年提出了一种基于传递函数或频响函数的损伤识别方法[26]。DavidC等结合最小秩摄动理论，利用频响函数数据和有限元模型在一桁架结构成功地进行了损伤识别L5[27]。MaiaNMM等提出频晌函数曲率法，发现该方法可以在梁损伤识别中达到弹性模量至少降低25％的损伤量，同时还考虑了5％噪声的影响，但是无法精确定位损伤位置[28]。MarkJ等提出了另一种传递函数识别损伤方法，即传动函数法，发现该方法不需要任何数学模型或先验知识，能有效地识别结构早期损伤。但是测量点的数量和位置对损伤识别精度影响较大[29]。1、3模型修正法模型修正法(Modelupdating),作为结构动力学问题的反问题,是通过不断修正基准模型中单元刚度等模型参数,使有限元模型分析结果和试验结果(如结构固有频率、模态、响应等)之间偏差最小[30],从而得到有限元模型中的局部单元刚度变化规律,进而指示结构的损伤位置与程度,因此,基于模型修正的损伤识别重点主要落在了结构有限元模型修正上。结构有限元模型修正发展至今,大致经历了三个层次:人工修改(ArtificialModification),计算模型修正(ComputationalModelUpdating)以及模型确认(ModelValidation)。模型修正一般需要较为复杂的优化计算过程,但随着计算机技术的迅速发展,这些问题大都可以得到很好的解决,同时计算模型修正由于使用了优化算法,所以从理论上讲,得到的理论模型质量更高。模型确认是最近提出的一个新概念,它是指通过计算和实验两个方面的分析,对有限元模型在设计空间的响应预报精度进行评价和确认,并在此基础上进行模型修正,为进一步应用提供精确的有限元模型。郭勤涛等人[31]对模型确认进行了详细的论述,Goge等人[32]给出了模型确认的五个基本步骤。模型确认是模型修正的最高层次,而计算模型修正是模型确认的一个最重要的环节,目前对于模型修正的研究主要以计算模型修正为主。宗周红等人[33]在回顾结构确定性损伤识别方法的基础上,介绍了不确定性损伤识别方法和有限元模型确认的研进展,分析比较各种方法的优点和不足之处,最后对有待进一步研究的问题和基于模型确认的概率损伤识别方法发展趋势进行展望。宗周红等人[34]提出基于响应面模型修正技术和单元模态应变能损伤指标的结构损伤识别方法,通过简支梁室内模型试验来检验方法的有效性,进而以白石大桥为背景,通过数值模拟方法基于响应面模型修正和单元模态应变能指标进行白石大桥支座损伤识别。杨小森等人[35]根据斜拉桥的结构特点,将主梁等效为弹性地基梁,通过分析得出结构损伤而导致的内力重分布只影响损伤部位附近单元,并以此作为结构损伤位置的初步判断的依据;然后通过分析得出汽车荷载作用下的索力变化对损伤更为敏感的结论。以实测索力变化和理论索力变化之差为目标函数,通过有限元模型修正实现对结构损伤程度的识别;最后,以苏通长江大桥为例,对4种损伤工况进行了分析识别。近四十年来模型修正技术得到了长足发展,出现了大量的修正方法。Imregun和Visser、Mottershead和Friswell别对有限元模型修正理论与方法进行了详细综述。模型修正技术采用不同的分类标准,可以得到不同的分类。本章中将其分为以下几类:(1)直接法;(2)灵敏度方法;(3)神经网络方法;(4)智能优化算法。1.3.1直接法直接法是最早提出的模型修正方法,该方法是通过