（交通信息工程及控制专业论文）基于光纤光栅传感的桥梁损伤识别与评估系统研究.pdf

武汉理工人学博士学位论文 摘要 随着国民经济的发展，新的大型桥梁数目日益增多的同时，现役桥梁由于受 气候、环境等因素的影响以及长期的静、动荷载作用，其强度和刚度随着时间的 增加而降低，各种损伤也随之产生，给桥梁带来重大的安全隐患。因此对于桥梁 的健康监测一直是桥梁专家们关注的课题。 桥梁的健康监测不只是传统的桥梁检测技术的简单改进，一个真正意义上的 桥梁健康监测系统应该具有以下功能：由传感器监测环境荷载( 风、地震、温度 和交通荷载等) 以及结构整体性态变量( 如结构位移和加速度等) 和局部性态变量 ( 如应变等) ；能实现数据的同步采集、远程传输并对数据实施有效管理；能对数 据进行分析处理，从而实现系统的参数识别、结构有限元模型修正以及结构的损 伤识别和定位等功能；最后是损伤后处理，是基于对桥梁的损伤状态进行准确判 定的情况下，对损伤桥梁的损伤状态进行定量评估，分析桥梁的健康状况，以及 更进一步的对损伤桥梁的后处理提出解决方案，确定经济、科学的桥梁维修、养 护策略。前两个功能是健康监测系统的基础，后两个功能是健康监测系统的核心 和最终目标。 本文以光纤光栅振动传感器和振动数据采集系统的设计为基础，重点研究了 健康监测系统的核心：损伤识别和损伤状态评估。根据神经网络和粗糙集这两种 信息处理方法的各自特点，分别将其应用于桥梁的损伤识别和损伤后桥梁的损伤 状态等级评估。提出了建立以光纤光栅振动传感器为数据基础的桥梁损伤评估系 统的基本构想。为此，本文主要进行了以下几个方面的研究工作。 ( 1 ) 为了获得准确有效的结构振动响应数据以作为正确的损伤识别的数据 基础。设计了基于匹配光栅滤波解调的光纤光栅振动传感器，既解决了波长解调 速度的问题，又消除了温度变化对传感器的影响，让灵敏度与频率响应这对矛盾 达到很好的统一。数据采集通过u s b 口进行，在l a b v i e w 环境下调用采集卡 的动态链接库函数进行多通道数据采集，实现数据的采集、显示和存储。为损伤 识别提供有效的数据保障。 ( 2 ) 基于频响函数的损伤识别法可以避免复杂的模态分析，并能在频域范 围内提供更多的结构状态信息，采用主成分分析对频响函数进行有效的数据压缩 和特征抽取，解决了基于频响函数的损伤识别在实际应用中面临的数据过多的问 题。 ( 3 ) 将自组织映射神经网络应用于桥梁的损伤模式识别，通过对钢箱梁模 武汉理t 大学博十学位论文 型模拟的各种常见损伤模式的测试，将频响函数的主成分作为输入向量的自组织 映射神经网络，在经过足够的训练后，基本可以有效识别各损伤模式，实现对损 伤的定位和定量分析。 ( 4 ) 损伤后桥梁的状态等级评估是对桥梁进行管理和养护的基础。在前人 工作的基础上，以公路养护技术规范为参考，对桥梁各子结构状态和整体损 伤状态进行了离散分级，并利用粗糙集抽取桥梁各参数与整体损伤状态之间的分 类规财，实现对于桥梁的损伤状态的分级评估，不仅对桥梁的维修和养护提供依 据，同时粗糙集约简的结果也可以为桥梁的结构分析提供参考。 关键词：光纤光栅振动损伤评估频响函数主成分分析神经网络 粗糙集 i l 武汉理下大学博十学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , m o r ea n dm o r el a r g e - s p a n b r i d g e sa r ec o n s t r u c t e d ，a n dt h ee x i s t i n gb r i d g e ss u f f e rf r o mt h ew e a t h e r , e n v i r o n m e n t f a c t o r sa n dt h ea c t i o no ft h es t a t i ca n da c t i v el o a d si m p o s e do nt h e m t h es t r e n g t ha n d s t i f f n e s sw i l ld e g r a d ew i t ht h et i m er u n n i n g , a n dd a m a g e sw i l lo c c u ra st h er e s u l t ， w h i c he n d a n g e rt h es a f e t yo ft h eb r i d g e s a c c o r d i n g l y , t h eb r i d g es a f e t ym o n i t o r i n g h a sb e e nr e c e i v e dm o r ea n dm o r ec o n c e r nf r o ms t r u c t u r ee x p e r t s at r u l yb r i d g es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sn o tj u s tt h es i m p l ei m p r o v eo ft h e m o n i t o r i n gm e t h o d s i ts h o u l db ei n v o l v e dt h ef u n c t i o n sa sf o l l o w i n g ：m o n i t o r i n gt h e e n v i r o n m e n tl o a da n dt h ee n t i r ea n dl o c a ls t a t ev a r i a b l ew i t hv a r i o u ss e n s o r s ；a c q u i r e t h er e s p o n s ed a t ao ft h eb r i d g e s y n c h r o n o u s l ya n dm a n a g et h ed a t ae f f e c t i v e l y ； a n a l y z et h ea c q u i r e dd a t a , p r o c e s st h es y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，s t r u c t u r a li n f i n i t em o d e l m o d i f i c a t i o na n dd a m a g ed e t e c t i o n ；t h el a s tb u tn o tl e a s t ，i st h ea f t e r - d a m a g e m a n a g e m e n t ，q u a n t i f i c a t i o n a l l ye v a l u a t et h ed a m a g es t a t eo ft h eb r i d g ea c c o r d i n gt o t h ec o r r e c td e t e r m i n a n to fd a m a g ed e t e c t i o n t h es c i e n t i f i c r e p a i r m e n t a n d m a i n t e n a n c em e t h o d sa r ep r e s e n t e dc o n s e q u e n t l y t h el a s tt w of u n c t i o n sa r et h ec o r e a n dt h ef i n a lg o a lo fs a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt h ef i b e rg r a t i n gv i b r a t i o ns e n s o ra n dv i b r a t i o nr e s p o n s ea c q u i s i t i o n s y s t e m ，t h ec o r et e c h n o l o g yo fb r i d g es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r n e u r a ln e t w o r ka n dr o u g hs e ta l g o r i t h ma r es u g g e s t e dt ob eu s e di nb r i d g e d a m a g ed e t e c t i o na n dd a m a g es t a t ee v a l u a t i o nr e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e ，t h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r kh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i sd o c t o r a ld i s s e r t a t i o n ( 1 ) a sv i b r a t i o nt e s t i n gh a sb e c o m et h em o s te f f e c t i v em e t h o df o rt h ed a m a g e d e t e c t i o no fb r i d g e ，a l le f f e c t i v ea n dd e p e n d a b l ev i b r a t i o nt e s t i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d f i b e rg r a t i n gv i b r a t i o ns e n s o rb a s e do nm a t c h e df i l t e r i n gd e m o d u l a t i o ni sa d o p t e dt o m o n i t o r i n gt h ev i b r a t i o nr e s p o n s ed a t ao ft h eb r i d g e t h ep r o b l e m so fw a v el e n g t h d e m o d u l a t i o ns p e e da n dt e m p e r a t u r ee r r o ra r es o l v e de f f e c t i v e l y t h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nu s b t h es o f t w a r ei sc a r r i e do u ti nl a b v i e wb y c a l l i n gd y n a m i c l i n kl i b r a r yf u n c t i o n s ( 2 ) t h em e a s u r e df r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n s ( e r e ) i su s e da st h ei n p u tt o a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) b e c a u s ei tc a np r o v i d em o r es t r u c t u r a li n f o r m a t i o n i nf r e q u e n c yd o m a i n s i n c ef u l ls i z eo ff r fd a t ai st o om u c hf o rt h ea n n ，ad a t a r e d u c t i o nt e c h n i q u eb a s e do np r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) i sa p p l i e dt o i i i 武汉理，r 大学博十学位论文 e x t r a c tt h e f e a t u r e s t h ee x t r a c t e df e a t u r e sa r eu s e da st h ei n p u td a t ao fa n nl n s t e a d o f t h er a wf r fd a t a ( 3 ) t h es e l f - o r g a n i z i n gm a pn e u r a ln e t w o r ki sc h o s e nb e c a u s eo f i t ss u p e r i o r i t yi n a n a l y z i n gh i g h d i m e n s i o n a ld a t aw i t h o u ts u p e r v i s i n g as t e e lb o xg i r d e rm o d e lw i t h m u l t id a m a g es t a t e si sp r e s e n t e dt od e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d ( 4 ) d a m a g es t a t e e v a l u a t i o no ft h ed a m a g e db r i d g e sc a l lp r o v i d es c i e n t i f i c r e f e r e n c ef o r t h eb r i d g em a n a g e m e n ta n dm a i n t a n c e t a k et h ea d v a n t a g ei np r o c e s s i n g i n c o m p l e t ei n f o r m a t i o nw i t h o u ta n yp r e l i m i n a r yo ra d d i t i o n a li n f o r m a t i o na b o u td a t a ， r o u g hs e tt h e o r yi su s e dt om i n er u l e sb e t w e e nt h ed i s c r e t i z e dt e s t i n gd a t ao fe a c h b r a n c hc o n s t r u c t i o na n dt h es t a t eo ft h eb r i d g e t h ee v a l u a t i n gr e s u l t sc a no f f e r v a l u a b l ep e r s p e c t i v e so fs t r u c t u r a ld e s i g na n da n a l y s i sa sw e l l k e yw o r d s ：f i b e rg r a t i n gv i b r a t i o n d a m a g ee v a l u a t i o nf r e q u e n c yr e s p o n s e f u n c t i o n p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i s n e u r a ln e t w o r k r o u g hs e t i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表的和撰写 过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：函! 越k 日期：丛塑：羔：步 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学关于保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩影或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：51 压近导 武汉理1 ：大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 桥梁作为道路交通的关键结合部与控制部位，在修建过程中以及竣工以后 的运营期间，会受到设计标准、使用年限、工程材料、外部环境、养护质量、交 通流量、作用载荷、偶然事故以及地震、火灾、飓风等自然灾害的交互影响而产 生不同程度的损伤，而损伤的发生将改变结构的强度和刚度，从而使桥梁的状态 发生变化，使用性能降低。当损伤积累到一定程度时，将导致桥梁的突发性失效， 从而使安全受到威胁，一旦发生事故，轻则交通受阻，人民生活不便，重则发生 断裂坍塌，造成不可挽回的人员伤亡和经济损失。 近年来国内国外的桥梁坍塌事故都时有发生：1 9 9 4 年韩国汉城市内连接汉 江南北的圣水大桥中间约5 0 米的桥梁突然塌落【1 j i 引。1 9 9 9 年1 月4 日，重庆市 綦江县城人行彩虹桥整体垮塌，4 0 人遇刺3 1 。2 0 0 0 年8 月2 7 日，连接台湾省高 雄与屏东的重要交通要道上的高屏大桥突然拦腰断裂。2 0 0 1 年1 1 月，被誉为“亚 洲第一拱桥”的四川宜宾南门大桥桥面发生断裂坍塌1 4 1 。2 0 0 7 年8 月1 日，联接 明尼苏达州明尼阿波利斯市至圣保罗市的州际3 5 w 桥梁倒塌。图1 - 1 显示的是 近年来发生事故的几座桥梁。这些桥梁坍塌事故均造成了重大的人员伤亡和财产 损失，已经引起人们对于重大桥梁工程安全性的关心和重视。虽然事故的具体原 因各有不同，但有一点是相同的，就是如果这些桥梁安装了实时的监测系统，及 时发现损伤、了解桥梁的状态，这样的事故就有可能避免。 我国现有公路桥2 4 0 6 3 0 余座【5 1 ，总长9 6 5 5 k m ( 其中特大桥1 1 3 9 座，总长 1 0 8 2 k m ) 。由于经济的发展，很多大型重要桥梁都是超负荷运营，1 4 以上的桥 梁都存在结构性缺陷、不同程度的损伤和功能性失效的隐患。对结构进行有效的 健康监测和诊断无疑已经成为结构灾害演化规律研究与安全保障的重要途径。 因此，为了保障桥梁运营的安全性、完整性和耐久性，减少重大经济损失， 避免灾难性的悲剧发生，同时也为了对旧有桥梁进行合理维修、减少维护费用， 对已建成使用的和新建的桥梁采用有效的手段进行健康监测和安全评估显得尤 为必要和迫切，这在很大程度上促进了针对桥梁结构损伤识别技术和状态评估技 术的研究以及以此技术为核心的大型桥梁结构健康监测系统的发展。目前，桥梁 结构损伤识别和健康监测已成为土木工程领域的一个重要研究方向。 武汉理1 人学陴十学化论文 重庆綦江彩虹桥垮塌事故 台湾高屏大桥断裂事故 四j i 宜宾南门丈桥断裂事故美国明尼苏选州大桥倒塌事故 图1 - 1 发生事故的部分桥粱 1 2 国内外研究现状 1 2 1 桥絮结构健康监测理论及发展过程 实际上，针对结构的损伤识别研究最先出现并应用在机械、航空航天等领 域。人们很早就对大型机械结构进行结构故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) ，并在2 0 世 纪6 0 年代初期，出于航空航天和军工等领域的需要，发展了一系列无损诊断技 术( n l y r ) 。从2 0 世纪7 0 年代开始，土木工程领域的学者们开始意识到对大型土 术工程结构进行健康监罚4 和安全性评估的重要性。为此开始研究各种有效的损伤 识别技术，做了大量的研究工作。 帅年代以后，随着测试手段和分析技术的提高许多国家都开始在一些已 建和在建的大跨桥粱和大跨空间结构等复杂结构中设置结构健康监测系统，进一 步在健康监测和损伤识别方面进行卓有成效的研究。美国从2 0 世纪中后期开始 在多座桥粱上布设监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，以监 视施工质量、验证设计假定和评定服役安全状态等，如佛罗里达州主跨4 4 0 m 的 s u n s h i n es k y w a yb r i d g e 斜拉桥就安装了5 0 0 多个传感器【6 l 。1 9 8 7 年，英国在总 长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁桥一f 0 y l e 桥上布设传感器，监测大桥运营阶 段在车辆与风载作用下主粱的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构 武汉理下大学博十学位论文 温度场1 7 】，该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一。丹麦对总长1 7 2 6 m 的 f a r o e 跨海斜拉桥进行了施工阶段及通车首年的监测，目的是通过监测检查关键 的设计参数，掌握施工危险阶段的受力状态以及获取开发优化的监控维护系统以 及运营后对结构进行维修所需的桥梁健康记录，另外他们在主跨1 6 2 4 m 的g r e a t b e l te a s t 悬索桥上已开始尝试把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小 数据存量【8 1 【9 1 。挪威在主跨5 3 0 m 的s k a r n s u n d e r 斜拉桥上安装了全自动的数据采 集系统，该系统能对风、加速度、倾斜度、应变：温度、位移进行自动监测，以 实现对全桥结构状态实时了解的目的，并能检验设计和施工是否完剖埘。加拿 大在全长1 2 9 k m 的跨海大桥一c o n f e d e r a t i o n 桥上安装了一套综合的监测系 统，对桥梁在冰荷载作用下的性能、长短期变形、温度应力以及在车辆荷载、荷 载组合、风和地震作用下的动力响应和环境对桥梁的侵蚀进行研究。监测系统所 用的加速度计、应变计、倾斜计、水荷载传感器以及热电偶等各种传感器7 4 0 个 1 1 1 -0 此外，墨西哥的t a m p i c o 斜拉桥、英国的f l i n t s h i r e 独塔斜拉桥、日本的明 石海峡桥、韩国的s e o h a e 斜拉桥、泰国的r a m a 8 独塔斜拉桥等也都安装了不 同规模的健康监测系统唧1 2 】1 1 3 l 。 在国内，结构健康诊断研究工作起步较晚，但近年来发展非常迅速，许多 高校和研究机构都开展了这方面的研究工作，并取得了不少成果。国家自9 0 年 代中期开始，先后在8 6 3 航天高科技计划和攀登计划b 重大项目中投入一定的 资金用于支持桥梁等大型结构体系健康自动诊断问题的探索性研究。国家自然科 学基金中，也有进行重大工程结构健康监测技术的研究和应用项目。并最先在上 海徐浦大桥和江阴长江大桥上利用施工监控和成桥试验安装的传感器建立了研 究性质的健康监测系统【1 4 1 。 香港的青马( t s i n g m a ) 桥、汲水f - j ( k a ps h u im u n ) 桥和汀九( 啊n gk _ a u 桥上安 装了保证桥梁运营阶段安全的规模较大的桥梁健康监测系统“风和结构健康 监测系统 ( w a s h m s ) 。该系统包括风、车辆、温度等荷载和环境作用监测系统 以及结构整体和局部响应监测系统，并配置了相应的数据采集、传输和处理系统。 该系统能对桥梁的主塔、缆索、缆索锚头、吊杆、桥面格架和桥体支座的安全状 况进行实时监测。该系统安装的g p s 、风速风向仪、加速度计、位移计、应变计、 地震仪、温度计、动态地磅等各类传感器总数达9 0 0 制1 5 】。此外，很多已建成 或正在建设的大型桥梁也都安装或计划安装结构健康监测系统，如滨州黄河公路 大桥【1 6 】【1 7 1 、南京长江大桥【1 引、大佛寺长江大桥【1 9 j 、润扬长江大桥f 2 0 】、东海大桥 【2 1 】、苏通大桥【2 2 】等。 一般来说，一个真j 下意义上的结构健康监测系统应具有如下功能【1 6 1 【1 7 1 ：( 1 ) 3 武汉理1 ：人学博十学位论文 由传感器监测环境荷载( 风、地震、温度和交通荷载等) 以及结构整体性态变量( 如 结构位移和加速度等) 和局部性态变量( 如应变等) ；( 2 ) 能实现数据的同步采集、 远程传输并对数据实施有效管理；( 3 ) 能对数据进行分析处理，从而实现系统的 参数识别、结构有限元模型修正以及结构的损伤识别和定位等功能； ( 4 ) 能对结 构的健康状态进行评估并预测结构的剩余强度、剩余寿命以及进行可靠分析和评 价等。前两个功能是健康监测系统的基础，后两个功能是健康监测系统的核心和 最终目标。 图1 2 给出了结构健康监测系统的基本示意图 外，首先采用各种先进的测试j 仪器设备对结构在外界各种激励( 如风、交通荷载、地脉动等汀的各种响应数据 进行采集和存储，然后对监测到的各种信息进行处理，。依据结构响应数据，基于 评估模型对结构的损伤状态进行有效的识别，不但能判定结构是否发生损伤，而 且还能确定损伤的位置和程度。最后是损伤后处理，是基于对结构的损伤状态进 行准确判定的情况下，依据损伤累计模型，对当前结构系统的使用风险进行定量 评估，对结构的剩余寿命进行预测，以及更迸一步的对损伤结构的后处理提出解 决方案，确定科学的结构维修、养护策略。一般来说可根据系统的构成将结构健 康监测系统分为传感器系统、数据采集、传输系统、数据处理与分析系统、数据 管理系统、系统识别、模型修正和损伤识别系统、结构状态评价系统以及报警与 通讯系统等f 1 6 l f l 7 捌。 然而，尽管目前在世界上许多新建的大跨桥都安装有监测系统，但大多健 康监测系统实际上并不具备损伤识别能力，而真正的健康监测系统必须具备识别 损伤的能力【孤。结构的系统参数识别和损伤识别是结构健康监测系统的核心技 术之一，是进行结构使用风险评估和剩余寿命预测的基础，也是结构健康监测系 统中最困难的部分。目前国际上对于结构损伤识别的研究最为广泛。 本文即针对结构健康监测系统中所涉及的系统参数识别和损伤识别方面的 相关问题进行研究。 4 武汉理工大学博士学位论文 图1 - 2 结构健康监测系统框架示意图 1 2 2 桥梁损伤识别与振动测试技术简介 1 2 2 1 损伤识别技术分类 结构健康监测技术根据结构损伤的处理能力可以分为四个不同的级别。第 一个级别的技术用于确定结构物中是否存在损伤；第二个级别的技术确定损伤的 存在和损伤的位置；第三个级别的技术确定损伤的存在、位置和损伤的程度；第 四个级别的技术确定损伤的存在、位置、损伤的程度和结构物的剩余服务年限。 对损伤识别技术的研究最早于二十世纪4 0 年代就已经开始，尤其是近二十 年来，随着传感器技术、通信技术和计算机技术的发展，很多新的诊断技术和方 法不断涌现。一般来讲，损伤识别技术可分为局部损伤识别和全局损伤识别两种 【2 5 】 o 局部损伤识别技术依据直接测量来达到诊断结构物理状态和评估结构可靠 性的目的，主要用于探测结构的局部损伤，属于无损检测技术。该技术又分为二 类： ( 1 ) 利用染色渗透、x 射线、，射线、光干涉、超声波和电磁学监测等技术对 结构的某些局部进行定期检查。这类技术在建筑、航天和船舶等领域有着广泛的 应用。但同时这类技术在应用中也存在一些缺点：对结构中不可见、不开敞的 部件难以监测；对设备和人员都需要很大的投资，对于一些大型结构特别是比 较复杂的大型结构检测其损伤是十分耗时费力的，因此对全结构的检测实际上是 不可能的；这类技术要求检测人员必须到现场才能检测；这类技术需要对结 构的损伤情况有先验知识和先验判断，错误的判断将导致遗漏某些位置的结构损 武汉理f ：火学博十学位论文 伤。实际上，人们往往事先并不知道已经出现的缺陷与损伤，也不知道它们存在 的部位，因此这类技术的实际应用范围是有限制的。对于一些不可见、不开敞的 部位，该类技术不仅无法实施，甚至要求结构的一些功能停止使用或停止工作。 这是非常不经济的，甚至无法做到。 ( 2 ) 利用与结构部件绑定的传感器( 如光纤传感器) 来识别结构损伤。该技术在 公路、桥梁和建筑上有很多应用：其优点是可以直接确定构件的裂纹及其位置。 把这一技术应用到整个结构上，可以确定损伤情况，并可以实现对这些部件的远 距离检测。 总的来说，对于压力容器、机翼和油箱等小型有规则的结构，局部损伤识 别技术是很好的识别方法，但对于大型、复杂的结构，应用这种技术检测结构的 每一部分是不可能的。因此，局部损伤识别技术仅用于检测结构的特别部件。 鉴于局部损伤检测存在的缺陷，为了解决整个结构特别是大型复杂结构盼 损伤识别问题，全局识别技术应运而生。全局损伤识别通过检测整个结构的响应 变化，来识别结构物是否有损伤、损伤的程度、损伤的大致位置，来评价结构的 状态。其最大优点在于对复杂结构进行损伤识别的高效率，因为全局法不直接考 虑结构物的部件、不需要结构损伤的知识、减少了评估结构损伤的实践和经济开 销，同时也减少了人工参与和观察。因此在目前更加受到结构工程领域研究人员 的关注。 基于振动的损伤识别方法便是一种全局损伤识别方法瞵】1 2 6 l ，它的基本原理 是：结构模态参数( 固有频率、模态振型等) 是结构物理特性( 质量、阻尼和刚度) 的函数，因此物理特性的改变会引起系统动力响应的改变。所以结构的响应和模 态参数的改变可视为结构损伤发生的标志。利用损伤发生前后结构动态特性的变 化来诊断结构损伤的方法与局部损伤无损检测方法相比，具有以下优点： ( 1 ) 从理论上来讲，可将振动的外界因素作为激励源，损伤检测的过程不影 响结构的正常使用，能方便地完成结构损伤的检测和识别。 ( 2 ) 在损伤检测之前，无需知道损伤的分布位置，即不需要知道先验信息。 ( 3 ) 由于是对整个结构进行识别，因此识别的效率较高，可以对大型复杂结 构的损伤进行识别。 ( 4 ) 传感器的布置不需要接近损伤位置，只需要有限数量的传感器就可以为 损伤识别提供重要的信息。 由于基于振动的损伤识别方法的有效性和可靠性，目前在工程中的应用十 分广泛，几乎可以应用于从飞机到土木建筑的所有结构中，而且其研究和发展也 十分迅速。 1 2 2 2 振动分析基础 6 武汉理丁大学博十学位论文 对于一个1 1 自由度无阻尼结构系统，其动力学方程为： m 镩o ) ，+ k 忸o ) 】= _ 【厂p ) ) ( 1 - 1 ) 其中，k 和肘分别为系统的刚度矩阵和质量矩阵，肋为外载荷列向量；j p ) 和工o ) 分别为在外载荷作用下的位移响应和加速度响应。对式( 1 1 ) 进行傅立叶变 换，可得其在频域的动力学方程为： ( 一彩2 m + k ) x ( ) - f ( ) ， ( 1 - 2 ) 式中，为外激励的频率。由式( 1 2 ) 可得： x ( ) 一h ( e o ) f ( e a ) ( 1 - 3 ) 式( 1 3 ) 中的日( ) ，即为系统的频率响应函数( f r f ) 矩阵，定义为： h ( e o ) n ( k c 0 2 m ) 以 ( 1 4 ) 式( 1 - 4 ) 中假定2 一 ，o - 1 , 2 ，珂) ，五为系统的特征值，当该条件不满足时， 可以用m o o r e p e n r o s e 广义逆求解。 假定系统的特征值和特征向量矩阵分别为人和西，且满足 西r k m a r m = i( 1 5 ) 式中，a d i a g ( 2 a ，如，九) ，且 sa 2s 墨九，而；【识，欢，丸】，i 为n n 阶单位矩阵。则可得： m r f k 一2 m ) ；a 一2 ， ( 1 6 ) 将式( 1 6 ) 代入到式( 1 - 4 ) 中可得系统的f r f 的模态参数表示： h ( e o ) 一西( a 一2 ，) - 1 m r 将式( 1 7 ) 在模态空间中展开，即可得f r f 截断模态表达形式： 脚，一砉为 ( 1 - 7 ) ( 1 8 ) 1 2 2 3 基于振动的损伤识别方法 基于振动特性的损伤识别通常应用到的动力学参数有频率、振型、模态曲 率、应变模态、传递函数、功率谱、模态保证准则( m a c ) 、坐标模态保证准则 ( c o m a c ) 、能量传递比( e t r ) 等【2 7 】。基于振动测试的损伤诊断法综合运用了系统 识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术，被认为是一种 很有前途的结构损伤整体检测方法。它可以监测由风、车载等自然因素激发产生 的振动信息，捕捉结构动力参数的变化，加工成一些理性识别指标，识别结构整 体性损伤；而且动态特性对结构状态的描述更加全面和丰富，现场工作量小，能 检测无法到达位置的损伤，可做到实时监控。但由于关系到模态识别，对测试仪 器及识别方法的精度有较高要求。 7 武汉理t 大学博十学位论文 1 2 2 4 振动测试 基于振动的损伤识别需要解决的主要问题是获得的结构响应数据，然后根 据这些响应的改变，从数据中提取与结构损伤相关的特征信息，依据这些信息不 但能判断损伤的位置，而且能判断损伤的程度。因此获得全面精确的反应结构状 态的振动数据，是十分重要的，这是结构损伤识别分析的基础。实际上，响应数 据的获取会受到很多因素的影响，如激励源的选择、激励类型、激励方法、传感 器的数量和位置，以及测试的经济性等。而最重要的莫过于测试的核心传感 器的选择。 常用于振动检测的传感器有加速度传感器和速度传感器。目前振动测试技 术主要是以传统的机械振动测试为基础，绝大多数是采用电磁类传感器，但是这 种传感器具有传统的电类传感器( 压电、磁电、涡流) 不可避免的缺点：传输距 离近、易受电磁干扰、输出为弱电信号，不适宜应用于大型工程的长期远程实时 监测。 随着振动测试技术的发展和高精度测试的需要，研制高性能的振动传感器势 在必行。光纤传感技术的出现给传感器的发展带来的前所未有的生命力【2 8 j 1 2 9 j 。 相比于传统电类传感器，光纤传感器具有材料和传感性能两方面的优势，特别是 自身固有的良好的分布特性成为结构监测中传感技术的首选。但光纤传感器，绝 大部分都是“光强型 和“干涉型的传感器，前者的测量信号受光源起伏、光 纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，而后者的干涉光强是相位差 的周期性多值函数，其线性灵敏度区域有限、且不易使用波分复用技术。传感器 自身的灵敏度、长期稳定性、精确度还有待提高。而且现有本征型光纤传感器， 传感用的光纤被要求尽量暴露在测量环境中，在实际应用中很脆弱，增加了工程 实施中的难度，降低了测量的可靠性和重复性。这些传感器作为智能材料与结构 的“神经元 ，特别是重大工程结构健康监测的传感器，具有一定局限性。 而近年来出现的光纤光栅传感器，由于是利用光纤光栅的中心波长对温度、 应力和应变等参量的敏感特性，采用光波长绝对编码，信号在光纤中传输，具有 传输距离远、测量精度高、长期稳定性好、不受电磁干扰、容易组网等优点，克 服了传统光纤和电类传感技术的一些缺点，满足了现代工程结构监测的高精度、 远距离、分布式和长期性的技术要求，开始越来越多地应用于大型桥梁的长期远 程安全监测系统【刈。 1 2 3 光纤光栅传感技术研究及应用现状 8 武汉理： 大学博+ 学位论文 1 2 3 1 光纤光栅传感原理 一光栅 i 鳖笪量j 广一 妄三j 理咽 圆垃业二j 一 一十t 矿脚 图1 3 光纤光栅的传感原理图 式中p e 为d b g 的弹光系数；l ( s 为测量应变的灵敏度。由式( 1 1 0 ) 可知，光 纤光栅应变传感器是以光的波长移位量为最小计量单位的，目前检测f b g 波长 移动的分辨率已高达p m 量级。因此，光纤光栅应变传感器具有非常高的测量精 度。光纤光栅传感器在结构检测中只需要检测光纤光栅波长分布图中波峰的准确 位置，而与光强无关，故对光强的波动不敏感。与普通光纤传感器相比，光纤光 栅传感器具有更高的抗干扰能力和更加优异的变形匹配特性。 温度变化引起的f b g 波长漂移可用下式表示。 a 。一k ，a t 一( 口+ 亭j 丁( 1 1 1 ) 式中：a 为f b g 的热膨胀系数，毛为f b g 的热光系数。由( 1 1 1 ) 式可推知， 采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。 9 武汉理j r 大学博十学位论文 光纤光栅传感系统一般由四大部分组成：光纤光栅传感器、宽带光源、光 纤光栅解调器、二次仪表部分。光纤光栅分布传感的原理如图1 3 所示。假设准 分布的多个光纤光栅的反射光波长为九1 ，地，h 与待测结构沿光 入射光谱 图1 = 4 光纤光栅分布传感原理图 纤光栅阵列各测量点1 ，2 ，1 1 相对应，则这些光纤光栅感应待测结构沿线 分布的应力时将使它们的反射光波长发生改变；改变的反射光经传输光纤从测量 现场传出，通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将它们转换成电信 号；由二次仪表计算出待测结构各个测点的应变大小，从而获得整个待测结构的 应变分布。 1 2 3 2 光纤光栅传感技术研究及应用现状 近年来，光纤光栅传感技术日益发展成熟，己成为一种具有变革意义的技 术，在智能材料与结构方面有重要的应用价值。 自1 9 8 9 年m o r e y 3 l 】首次提到将光纤光栅用于传感领域以来，光纤光栅传感 器受到了世界范围内的广泛重视，各国研究者积极开展有关研究，在每年的国际 光纤传感会议( o f s ) 及国际光学工程会议( s p i e ) j - _ ，这方面的研究论文一直占有 相当的比重。光纤光栅传感技术现己发展成为工程结构状态监测研究的热点，其 应用最多的领域之一当数桥梁的安全监测。应用光纤光栅传感器最具优势的领域 包括电力、石化、航空航天和核工业等行业。国外已经将光纤光栅传感器用于高 压电流的测量、高压变压器线圈绕组的温度测量以及传输电缆的荷载监测；石化 工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油气管等地 方的测量存在不安全的因素，国外正在尝试使用光纤光栅传感器监测输油管的泄 漏和在线测量钻井过程中井下温度、压力等参数；航空航天业对光纤光栅传感技 术非常重视，仅波音公司就注册了多个光纤光栅传感器的技术专利。德国的戴姆 1 0 武汉理j ：人学博士学位论文 勒奔驰研究中心、美国国家航空和宇宙航行局埃姆斯研究中心、美国空军、以 及法国、瑞典的机构都在开发这方面的应用；核工业是个高辐射的地方，核泄漏 对人类是一个极大的威胁。核电厂的反应堆建筑或外壳结构有很厚的钢或钢筋混 凝土地板和墙，是设计用于防止核泄漏的最后防护屏障。使用光纤光栅传感系统 进行遥测将极大地增强可靠性、安全性闭j 。1 9 9 5 年，法国的c e a - l e t i 、e d f 和f r a m a t o m e 就开始了一个联合计划发展布喇格光栅变形测量仪用于核电厂的 混凝土测量。美国和德国也在研究用光纤光栅传感器监测地下核废料储藏器中的 应变和温度。 国内光纤光栅传感器的研究开发相对于国外要落后一些。上世纪九十年代 我国才开始光纤光栅的研制，目前武汉理工大学光纤传感中心已经建设成为国内 唯一的光纤传感技术工业化试验基地，以及光纤传感技术国家产业化示范工程， 开发出的技术和产品己应用于一些重大工程结构特别是特大型桥梁的长期健康 监测项目【3 2 枷l ，成为光纤传感技术产业化应用开发的国家级研究和生产基地。 目前，传感机构的研究是光纤光栅传感器及其系统研究中的首要课题，相关 的研究集中在光纤光栅传感器及其交叉敏感分离技术【3 7 瑚】，光纤光栅与被测结 构之间的相互影响关系，光纤光栅传感器的有效性、可靠性和耐久性的研究，多 维应变场测量技术及多参量传感器的研究等方面；在解调技术的研究方面，解调 方案大致可分为三大类：准静态解调方案、动态解调方案及动、静两态解调方案。 但从以上方案来看，每种解调方法都有自己的优点，但没有哪种能够同时满足高 分辨率、动态与静态参量同时测量、多点复用，并且成本不高的要求；在复用技 术研究方面，主要目的是实现多点、准分布式传感，光纤光栅传感网络中的各个 传感元件在空间上以分立方式呈线型、面型或体型结构分布【删。已报道的复用 技术可分为单项复用技术与综合复用技术两大类。前者包括波分复用( w d m ) 、 时分复用( t d m ) 、空分复用( s d m ) 和码分复用( c d m ) 技术。后者指各种单项复用 技术的组合形式，主要有t d m + w d m 、s d m + t d m 。 综上所述，光纤光栅传感器的源于传感原理的优点己逐渐被人们认识，并在 很多领域取得实际应用，具有非常广阔的发展应用前景和经济社会价值。 1 2 4 损伤识别算法研究现状 基于振动的损伤检测方法，就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动力特性，根据结 构系统的动力特性来反推结构的质量、刚度等物理特性。 损伤识别有很多分类方法，一般来讲，基于振动的实际测试数据包括模态参 数、频率响应函数和响应时间序列，根据这些数据，损伤识别也可分为与之对应 武汉理丁火学博+ 学位论文 的三大类方法。其中模态参数包括频率和振型，以及由此衍生出来的其他参数， 如刚度、柔度、能量传递比等。 1 基于固有频率变化的损伤识别技术 固有频率是模态参数中最容易获得的一个参数，而且测试精度高。这类方 法的共同特点是：认为结构发生损伤时，仅结构的刚度降低，而忽略结构质量盼 变化，并在结构损伤之前建立一个修正的理论模型由于损伤位置不同，同样程 度的损伤会对不同阶的频率改变产生不同程度的影响：一些位置的损伤对某些低 频成份的影响大些：另一些位置的损伤则对某些高频成份的影响大些：还有一些位 置的损伤及其组合，对结构某些特定频率的改变影响不大。因此直接根据频率改 变判定损伤位置是不可靠的。 q l 、) ，l e y 的研究