（水工结构工程专业论文）基于不完备信息土木工程结构损伤识别方法研究.pdf

摘要摘要观测自由度不完整、数据误差以及模型误差是制约结构损伤识别发展与应用的主要因素。有鉴于此，本文利用不完整且存在数据误差的静力观测位移、模态观测振型以及结构固有频率等数据，开展了人工神经网络结构损伤识别方法以及基于有限元模型的损伤识别方法研究，具体研究工作如下：通过对土木工程结构损伤识别方法的发展现状进行较为详尽的研究与总结，发现观测自由度不完整、观测数据误差以及结构模型误差是制约结构损伤识别领域取得进一步发展的阻碍因素，同时也认识到在观测自由度不完整以及数据不精确的基础上进行结构损伤方法研究是未来土木工程结构损伤识别领域的发展方向。进而确定了本文的研究思路。由于人工神经网络算法在模式识别等反问题求解方面所具备的突出优点，已逐渐被越来越多的研究者应用于结构损伤识别领域。验证神经网络算法的损伤识别能力关键是网络输入参数的选取，即结构损伤识别指针是否对损伤位置或是损伤程度更为灵敏。本文利用易于实测且精度高的结构模态振型以及低阶固有频率构造出神经网络的组合输入参数。利用改进的动量b p 网络对结构进行了损伤位置以及程度识别数值模拟研究。结果表明即使在只获得少量节点振型数据且含有数据误差的情况下网络仍具有较好稳定性和鲁棒性。在一定误差范围内，识别结果受误差影响不大。静力位移响应可以反映结构刚度矩阵变化，因此识别结构刚度特性最自然、最直接的方法就是基于静力位移观测的方法。此外，考虑到结构低阶固有频率测试精度高且能反映结构整体的动力特性。在已有的研究基础上，本文将部分节点静力观测位移以及结构前几阶固有频率结合起来，构造出结构损伤位景及损伤程度识别的神经网络输入组合参数，利用径向基神经网络算法对结构进行了损伤识别数值模拟研究，着重研究了观测自由度不完整情况下不同数据误差水平对结构损伤识别结果的影响以及选取的频率数量对损伤程度识别结果的影响。识别结果表明，径向基神经网络具有很强的鲁棒性，对损伤位置及损伤程度识别都取得了非常理想结果。以往基于有限元模型修正的损伤识别模型多数是在观测数据完整且不含数据误差的情况下进行结构的损伤识别，当观测数据不完整、数据含有一定噪声时，往往就无法有效识别结构损伤，识别能力受到很大限制，不易在实际的工程结构中应用。本文依据不完整模态数据( 前几阶低阶模态、不完整自由度上的实测振型)并利用模态参与因子构造出完整自由度模态振型，建立了损伤结构系统的非线性控制方程。避免了采用模型缩聚或是扩阶方法所带来的额外误差。在此基础上，摘要基于改进的商斯一牛顿最小二乘算法进行了结构损伤识别数值模拟研究。研究了实测自由度数量、数据噪声以及选取的模态数量对识别精度的影响。结果表明该方法具有一定的容错性、稳定性，识别结果理想。关键词：结构损伤识别；改进b p 网络；径向基网络；静力位移：模态振型；固有频率；模态参与因子；高斯一牛顿最小二乘算法；观测自由度：数据噪声：鲁棒性摘耍a b s t r a e ti n c o m p l e t em e a s u r e m e n t sf o rd o f s ，m e a s u r e dd a t ae r r o r sa n dm o d e le r r o r sa r em a i nf a c t o r sr e s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n i nv i e wo ft h o s ef a c t o r s ，b a s e do nt h em e a s u r e ds t a t i cd i s p l a c e m e n t s ，m o d es h a p e sa n dn a t u r a lf r e q u e n c i e si n c l u d i n gm e a s u r e m e n ti n c o m p l e t e n e s sa n dd a t ae r r o r s ，t h ed i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt os t u d yp r o c e d u r e sf o rt h es t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o nu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) a n df i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e m ) t h es t a t eo ft h ea r to fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o ni nc i v i le n g i n e e r i n gi sr e v i e w e da n ds u l t i n l a r i z e di nd e t a i li nt h ep r e s e n tp a p e r i t sf o u n dt h a ti n c o m p l e t em e a s u r e m e n t sf o rd o f s ，m e a s u r e dd a t ae r r o r sa n dm o d e le l t o r sa r em a i nd i 壤c u l f i e sf o rt h ef n r t h e rd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l d so fs t n m t u r a id a m a g ei d e n t i f i c a t i o n a l s o ，i t sr e a l i z e dt h a ts t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do ni n c o m p l e t em e a s u r e s n e n t sa n di n e x a c td a t ai st h ef u t u r ed e v e l o p m e n t t h u s ，t h er e s e a r c hs c h e m ew a sd e t e r m i n e d a n na l g o r i t h m sh a v ee x c e l l e n ta d v a n t a g e si ni n v e r s ep r o b l e m ss u c ha sp a t t e mr e c o g n i t i o n , a n dh a v eb e e nw i ( 1 e l yu s e db ym o r ea n dm o r er e s e a r c h e r si nt h ef i e l d so fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n t h ek e yp r o b l e mf o ra n nt ov e r i f yt h ee a p a b i l t oi d e n t i f yd a m a g ed e p e n d so nt h es e l e c t i o no fi n p u tp a r a m e t e r s ，t h a ti s ，w h e t h e rt h ei n d e xu s e dt ol o c a l i z ea n dq u a n t i f yt h ed a m a g ei ss e n s i t i v eo rn o t i nt h i sp a p e r , t h ec o m b i n e di n p u tp a r a m e t e r sf o ra n n sa r ec o n s t i t u t e db ys m i l ed i s p l a c e m e n t sa n ds e v e r a ll o wf r e q u e n c i e s ，w h i c ha r ee a s i l ym e a s u r e da n dh a v eg o o dp r e c i s i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h el o c a l i z a t i o na n dq u a n t i f l c m i o no ft h ed a m a g ew e r ep e r f o r m e db yu s i n ga ni m p r o v e dm o m e n t u mb pn e u r a ln e t w o r k i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea n n sh a v eg o o dn u m e r i c a ls t e a d i n e s sa n dr o b u s t n e s se v e ni fo n l yaf e wn o d a im o d es h a p e sw i t hn o i s ew e r eo b t a i n e d w i t h i nt h ea l l o w a b l ee r r o r , t h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t sw e r en o tm u c hs u s c e p t i b l et ot h ee r r o r s t h ec h a n g ei nt h er e s p o n s eo fs t a t i cd i s p l a c e m e n tw i l lr e f l e c tt h ec h a n g ei nt h es t r u c t u r a ls t i f f m e s sm a t r i x ，t h u si t sn a t u r a la n dd i r e c tt oi d e n t i f yt h es t r u c t u r a ls t i f f n e s sb a s e do nt h em e a s u r e m e n to fs t a t i cd i s p l a c e m e n t i na d d i t i o n ，c o n s i d e r i n gt h a tt h el o w e rf r e q u e n c i e so fs t r u c t u r e sc a nb et e s t e d 埘t l ll l i g hp r e c i s i o na n dc a nr e f l e c tt h eg l o b a ld y n a m i cp r o p e r t i e so fs t r u c t u r e s ，t h ec o m b i n e di n p u tp a r a m e t e r st oi d e n t i f yt h ed a m a g el o c a l i z a t i o na n de x t e n tf o ra n n sa r ef o r m e dw i t hs t a t i cd i s p l a c e m e n t sa n ds e v e r a ll o wf r e q u e n c i e s a n dt h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h el o c a l i z a t i o na n dq u a n t i f i c a t i o no ft h ed a m a g ew e r ec a r r i e do u tu s i n gt h er a d i c a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f )n e t w o r k s ，i nw h i c h ，i nt h ec o n t e x to fl i m i t e dm e a s u r e m e n t s ，m u c he m p h a s i sw a sl a i d摘要o nt h ee r i e c t so fd i f f e r e n tn o i s el e v e l so nt h er e s u l t so fs t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o na n dt h ee f f e c t so ft h es e l e c t e dn u m b e ro ff r e q u e n c yo nt h ei d e n t i f i c a t i o i lr e s u l t so fs t r u c t u r a ld a m a g ee x t e n t i d e n t i f i c a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr b fn e t w o r k sh a v es t r o n gr o b u s t n e s sa n dc a r ll o c a l i z ea n dq u a n t i f yt h ed a m a g ei d e a l l y i nt h ep a s t t h em o d e l su s e da st h es t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o nw e r em a i n l yb a s e do i lf e mu p d a t i n gm e t h o dw i t l lc o m p l e t ea n dn o i s e - f r e em e a s u r e m e n t s h o w e v e lm e a s u r e m e n t sa l eu s u a l l yi n c o m p l e t ea n dn o i s e p o l l u t e ds ot h a tt h es t r u c t u r a ld a m a g ec a nn o tb ei d e n t i f i e de f f e c t i v e l ya n dt h ec a p a c i t yf o rt h ei d e n t i f i c a t i o np r o c e d u r ed e c r e a s e dg r e a t l y , w h i c hh a sd i f f i c u l t yi na p p l y i n gt or e a le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s f i r s t l y , t h em o d es h a p e sa ta l ld e g r e e so ff r e e d o m ( d o f s )w e r ec o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ei n c o m p l e t em o d a ld a t a , t h a ti st h ef i r s tl o w e rm o d e sa n dm e a s u r e dm o d es h a p e sa tp a r t i a ld o f s ，a n dm o d a lp a r t i c i p a t i o nf a c t o r s s e c o n d l y ,t h en o n l i n c a rg o v e r n i n ge q u a t i o no ft h ed a m a g e ds t r u c t u r es y s t e mw a sf o r m u l a t e d ，w h i c ha v o i d e dt h ea d d i t i o n a le r r o r si n d u c e db ym o d e lr e d u e t i o no re x p a n s i o n a n dt h e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h es l r u e t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a f i o nw e r ep e r f o r m e du s i n ga l li m p r o v e dg a u s s i a n - n e w t o nl e a s ts q u a r em e t h o d ( l s m ) f i n a l l y , t h ee f f e c t so f t h en u m b e ro f m e a s u r e dd o f s ，d a t an o i s ea n dt h en u m b e ro f t h es e l e c t e dm o d e so nt h ei d e n t i f i c a t i o np r e c i s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sd e m o n s l r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dp r o c e d u r eh a dg o o dp e r f o r m a n c ei nf a u l t st o l e r a n c e ，r o b u s t n e s sa n dg a v eg o o di d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：s t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ；i m p r o v e db pn e t w o r k s ；r a d i c a lb a s i sf u n c t i o nn e t w o r k s ；s t a t i cd i s p l a c e m e n t ；m o d es h a p e s ；n a t u i 叫f r e q u e n c i e s ；m o d ep a r t i c i p a t i o nf a c t o r s ；g a u s s i a n - n e w t o nl e a s ts q u a r em e t h o d 皿s m ) ；m e a s u r e dd o f s ；d a t an o i s e ；r o b u s t n e s s第一章绪论第一章绪论摘要：本章介绍了沦文选题的_ = 程背景及意义：简述了土木：【程结构损伤识别的发展历史；论述了结构损伤识别的若干基本理论。对主要的损伤识别方法进行了比较详细的评述；最后叙述了本文的主要研究内窖。关键词：结构损伤识别；实测数据不完备；数据误差；土木工程结构；健康监测1 1选题工程背景及意义改革开放的近3 0 年来，在中国共产党的正确领导以及改革开放政策指引下，我国经济建设飞速发展，科学技术水平也在迅速提高，在诸多领域里取得了举世瞩目的成就。与此同时，随着综合国力的不断增强，国家在能源、交通、水利及工业与民用建筑等基础设施领域不断投入巨额资金，进行了大规模建设。有资料显示，我国每年仅建成的中两层建筑面积就在1 0 0 0 万平方米以上，一些标志性的超高层建筑也在不断的建成和规划中，比如，上海的金茂大厦( 8 8 层，高3 6 5 米) 、环球金融中心( 9 5 层，4 6 0 米) 等，标志着我国的建筑水平已经进入了国际先进行列。在近2 0 年里我国修建了大批铁路、公路桥梁。仅建成的永久性公路桥梁就达2 2 4 万座。建成主跨在2 0 0 米以上的桥梁2 1 0 0座、主跨在4 0 0 米以上的3 0 座、主跨在6 0 0 米以上的1 2 座。在大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥等各种形式的特大型桥梁设计建设中取得了成功经验，具备了建造各类型桥梁的能力。建国5 0 多年来，党和政府对水利事业给予高度重视，国家进行了大规模的水利水电工程建设。全国有各类大坝8 6 万余座，居世界首位i i l 。在实施西部大开发战略中，特别是西南地区的水电宝藏将得到加快开发，使得我国能源结构更趋合理。目前，我国难在和将要建设一批规模宏大的国家重大重点工程项目。如，三峡大坝、南水北调、西气东输、西电东送、京沪高速铁路等系列宏伟工程，为世人瞩目。在看到我国能源、交通、水利和工业与民用建筑等领域取得巨大成就的同时，也应该对现役的基础设施状况有个清醒认识。一方面，随着科技的进步及未来人类的需求，士木工程结构和基础设旌正向着大型化、复杂化方向发展。如大跨度桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供水、供气等管网系统，它们使用期都长达几十年，甚至上百年。在其服役过程中，由于环境荷载作用，疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响【2 3 】，结构不可避免的产生损伤累积、抗力衰减，从而使结构安全受到威胁，更为严重的是，有些结构的重要部件一旦发生损伤，它的破坏程度迅速发展，丽在未及时发现的情况下，很快导致整个结构的毁坏，造成灾难性悲剧【4 j 。1 9 8 3 年6 月2 8 曰凌晨一点钟，美国康涅狄格洲( c o n n e c t i c u t ) 的m i a u u s 高速公路大大连理工大学博士学位论艾桥突然倒塌，桥上的数部车辆随即坠入江中，造成三人死亡和三人受伤，幸好事故发生的时间是凌晨，如在白天发生时，引起的后果难以想象。造成大桥倒塌的主要原因是桥的腐蚀和交通循环载荷引起的疲劳 5 1 。1 9 9 4 年1 0 月2 1 日早晨7 点4 0 分左右，连接汉江南北两岸的圣水大桥已是一片车水马龙。因天气阴沉，大多数车辆正开着车灯，以时速4 0 公里的速度行驶。突然，一声巨响，一块长达4 8 米的桥板从大桥中段塌八江中，正在桥上行驶的一辆公共汽车及十来辆小轿车随之坠入2 0 多米高的桥下，事故造成3 2 人死亡。1 9 9 5 年6 月2 9 日，韩国首都汉城市三丰百货大楼突然发生坍塌事故，该大厦地上五层大约一半的楼体坍塌。当时正是家庭主妇购物的高峰时间，大厦内人员总数至少i 一一2千人，一起2 0 人死亡，6 1 5 人受伤的惨剧发生了。对于造成大厦倒塌的直接原因，专家大致认为有：混凝土质量差，造成大厦柱体钢筋承重量严重不足：浇注立柱的沙子是从海滩运回的，因含有盐份致使钢筋腐蚀；楼顶混凝土预制板的厚度比当初设计的厚度大2 5 厘米，造成大厦楼顶不堪重负。1 9 9 9 年1 月4 日，傍晚1 8 时5 0 分，重庆市綦江县横跨綦河、连接东西城区的虹桥( 因桥形若虹，也称彩虹桥) “轰”地一声巨响，大桥整体坍塌。正列队走过的2 3 名武警官兵和数十位群众落入水中，致使多人死亡。导致事故的直接原因是：拱架钢管焊接存在严重缺陷，个别焊缝出现陈旧性裂痕，焊接质量不合播；混凝土强度不足，普遍低于设计标号的l 3 ：连接桥梁、桥面与钢拱架的拉索、锚片、锚具都严重锈蚀。2 0 0 1 年0 1 月4 日夜，葡萄牙北部杜罗河上连接河间镇和派瓦堡镇的公路桥因年久失修经不住暴雨和浃水的袭击而坍塌，正行驶在桥上的一辆载有6 7 名乘客的大轿车和两辆小车翻进河中，约7 0 余人落水失踪。2 0 0 4 年2 月1 4 日晚7 时3 0 分许，莫斯科德兰瓦水上乐园的玻璃屋顶突然坍塌，随后一面墙也轰然倒塌，造成4 0 多人死亡，o 多人受伤。事故原因一种可能的说法是；事故发生时，室外温度为摄氏零下2 1 度，室内温度为摄氏零上3 0 度，承压的玻璃钢金属结构在如此大的温差冲击下，加上当年焊接时残留的冷凝剂，招致金属迅速疲劳，进而无法承重而断裂。2 0 0 4 年5 月2 3 日清晨巴黎戴高乐机场2e 候机厅发生屋顶坍塌事故，造成包括两名中国公民在内的6 人不幸遇难，多名旅客和机场人员受伤。法国交通部引用事故调查报告说，候机厅水泥顶棚与圆柱形金属支柱连接处出现了穿孔。正是这一穿孔导致了拱形顶棚中的一个弧度结构出现了折痕。连接顶棚外部金属支柱和水泥顶棚问的金属构件因此也受到了影响。这一金属构件本来也负担着顶棚的重量，但弧度结构上的裂痕促这个构件逐渐穿过了顶棚，不再支撑数十吨重的顶棚，最终导致拱形顶棚发生坍塌。第一章绪论图1 1莫斯科水一t - 乐园屋顶坍塌f i g 1 1 t h er o o f c o l l a p s eo f w a t e rf a i r y l a n di nm o s c o w图1 2巴黎戴高乐机场候机大厅坍塌f i g 1 2 t h ea i r p o r t l o u n g ec o l l a p s e o f p a d s a i r p o r t图1 3 盘锦田庄台大桥垮塌f i g 1 3 t h ec o l l a p s eo f t i a n z h u a n g t a ib r i d g ei np a n j i人连理工人学博 j 学位论文2 0 0 4 年6 月1 0 日早晨7 时0 2 分，辽宁省盘锦市境内f h 庄台大桥突然发生垮塌。大桥从中问断裂2 7 米，大约有三辆汽车落水。从所列举的事故中可以看出，对于重要的现役建筑结构设施，其旦发生破坏，后果非常严重，往往造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此十分有必要采取定的措施和技术手段对其进行监测诊断，预防事故的发生。另一方面，在已有的建筑物中，旧有建筑占有很大比例，随着时间的推移，将有大量的建筑物达到或超过其设计基准周期。我国城镇现有建筑已超过7 0 亿平方米，但其中2 0 世纪6 0 年代以前建成的占5 0 ，相当多的建筑已进入了中老年期，有近3 5 亿平方米的建筑物有可能出现质量问题，其中近l o 亿平方米急需维修加固才能正常使用。中国建筑科学研究院对我国建筑物耐久性的调查表明，由于设计、施工质量和管理方面的原因，其中绝大部分都存在着不同程度的破损。工业建筑的破损尤其严重，结构的使用寿命一般不能保证5 0 年，多数在2 5 3 0 年就必须进行大修或加卧“。在二战结束至今的6 0 年时间，世界范围内，建筑行业大致经历了三个不同的发展时期，即战后恢复的大规模建设时期、新建与旧房改造并重时期以及且前强调的维修与现代化改造为主的第三个发展时期【”。英国1 9 6 5 年至1 9 8 0 年的维修改造项目逐年增加，1 9 8 0 年的检测、维修改造工程已占建设工程的三分之二；美国截止1 9 9 8 年整个混凝土工程的价值约6 万亿美元，而今后每年用于检测、维修改造或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元；英国每年用于钢筋混凝土结构检测与修复费用达2 0 0 亿英镑；日本引以自豪的新干线使用不到十年，就出现了大面积的混凝土开裂和剥蚀，今后用于检测和修复的费用将相当巨大。此外，地震也引起结构的损伤。比如：1 9 9 5 年1 月1 7 日和1 9 9 5 年5 月2 8 日，在日本和俄罗斯先后发生大地震。1 9 9 9 年，土耳其和我国的台湾省先后发生了强烈大地震。这些地震造成人员重大伤亡，同时一些建筑物变成废墟，一些建筑设施发生不同程度的损伤引。特别指出的是如果水库或是水电站大坝一旦在地震作用下发生损坏将会引发更大的灾难，不仅造成巨大的经济损失，而且还会夺去许许多多的宝贵生命。综上所述，为保障生命和物资财产的安全，减少重大经济损失，避免灾难性的悲剧发生；同时也为了对旧有建筑物进行合理维修、减少维护费用；而采取有效的技术手段及方法对现役土木工程结构及基础设施进行安全监控、健康诊断以及安全评估就显得尤为必要和迫切。其中损伤识别技术是最为关键性的环节。因此，开展针对建筑结构的损伤识别技术的研究有着十分重要的工程及现实意义。1 2土木工程结构损伤识别发展史4第一章绪论从上世纪7 0 年代初，人们开始认识到对大型土木工程结构进行健康检测，安全评定的重要性。为此开始寻找各种有效的损伤识别技术，并做了大量的研究工作。上世纪7 0 年代，海洋石油业投入巨额的资金用于海洋采油平台损伤探测和健康监测的研究工作。开创了结构损伤识别技术在土木工程领域应用的先河。海洋石油平台结构识别研究最早是基于频率观测展开的。v a n d i v e r l 9 , 1 0 1 进行了海洋石油平台的试验研究，通过除去构件的方法来模拟实际结构的损伤，然后根据平台前三阶频率的变化识别结构特性的变化。研究发现，平台储油罐中液体的晃动对结构自振频率产生一定影响，但是这种影响小于由于构件去除对结构产生的影响，说明通过频率改变可以探测到平台构件的破坏。b e g g 1 1 1 等研究了损伤程度与结构频率改变之间的关系，通过裂纹和构件去除来模拟不同程度的损伤，发现去除构件会使结构自振频率发生5 3 0的改变，但是结构内部的裂纹不会对采油平台的自振频率产生影响。b r i n c k e r i 砼1 等的研究工作进一步证实了结构内部一定程度的损伤所造成平台自振频率的改变是可以通过观测获得的。在基于频率观测识别方法的基础上，l o t a n d 和 ) o d d s i ”懈振型数据用于结构识别的研究，发现振型数据能够提供结构状况的空间信息，同时还发现损伤对频率改变的影响比结构质量改变对频率的影响大。r o i t m a n 和v i e m 1 4 1 基于振型观测，在采油平台比例模型试验研究中利用模态振型的变化探测到了导管接点的损伤。由于采油平台所处的环境较为恶劣和复杂，在结构识别的研究中必须考虑环境因素的影响。w o j n a r o w s k i 等【l5 】研究了各种因素对结构识别特性特别是模态特性的影响，结果表明平台基础土壤特性的改变对平台响应产生较大影响。k e n l e y 和d o d d s 1 6 1 通过研究发现，结构模态特性对结构刚度特性变化不太敏感，只有当剐度特性发生5 以上的变化时才能识别结构的模态特性。n a t e r a j a l l 7 1 1 9 8 3 年开发了一套用于北海采油平台结构识别的监测程序，监测结果表明甲板质量对识别特性有重要影响。但是，在检测期间没有显著的损伤发生，损伤对结构特性影响没有监测到。w h i t t o m e 和d o d d s 1 司对个平台进行了长达两年半的动力特性监测，发现损伤引起的频率变化要比由于结构周围环境变化造成的频率改变来得显著。m a r t i n e z 和q u i j a d a 【l9 】在委内瑞拉进行了平台的模态测试，测试采用环境、冲击和脉冲的激励方式，通过对比研究发现，环境激励比较适合平台的结构损伤识别研究。以上研究表明，在观测数据中提取敏感的特征量对采油平台损伤识别是至关重要的，在建筑结构上容易获取的模态频率，却对采油平台的损伤形式反映的不是很敏感，通常需要将振型观测提供的结构响应空间信息作为补充。研究还表明，海洋采油平台所处的环境、机械设备噪声、结构上生长的海洋生物、基础特性随时问的变化都会对结构识别的准确性产生很大影响。进行结构识别研究较多的另一领域是交通桥梁工程。在过去的二、三十年间，国内大连理工大学博士学位论文外发生了多起桥梁垮塌的灾难事故。据统计，美国共有5 0 0 ，0 0 0 座桥梁，其中大概有2 0 0 ，0 0 0 座存在安全隐患。每年发生1 5 0 2 0 0 起大桥垮塌事故。这些事故促使人们去研究开发桥梁健康自动监测系统，而结构识别是现代桥梁健康监测系统的一个重要组成部分。早期，主要是以v a n d i l v e r l 9 , t o 和b e g g 等【l l 】的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测桥梁结构的损伤。k a t o 和s h i m a d a t z o 在进行预应力混凝土桥的失效试验研究时，通过环境振动方法识别了桥梁振动特性，测试结果表明，在静力荷载达到极艰载荷时，桥梁的自振频率将有所降低，但是阻尼值却没有受到大的影响。s p y r a k o s 等口1 1 进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试了模型桥梁在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态特性有确定的相关性，但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。研究同时表明，用频率预测严重损伤结构的剩余寿命是可行的。a k t a n 等1 2 2 j 贝u 从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度作为损伤指针的可靠性。研究结果表明，当模态测试包括了1 8 阶模态后，由于模态截断造成的误差仅在2 左右，可以使用观测柔度校准f e m 模型，然后在基线数据无法获得的条件下评估桥梁的实际状态。除了较为零星的工作以外，美国通过1 - 4 0 桥梁项目和a l a m o s a 峡谷项目的实施，对桥梁健康诊断中的结构损伤识别方法进行了系统的研究。f a r r a r 等f 2 3 l 对横跨美国新墨西哥州r i oc r m n d 河流的i 4 0 桥进行了损伤探测的试验研究。首先利用环境激励和标准力激励方式对未损伤桥梁进行了模态测试，然后用切割机在一个主梁上面切1 ：3 来模拟桥粱的损伤，根据不同的切口深度来区别损伤程度，最后对不同损伤情况的桥梁进行了模态测试。根据不同损伤阶段的模态参数，分别使用了几种损伤识别算法进行了缺陷识别。结果显示，桥梁弯曲刚度程度较大的变化会使观测频率产生不确定的改变，因此频率对桥梁的损伤不够敏感。不能作为损伤识别指针。但是，试验结果表明振型数据对损伤较为敏感。s t u b b s 等 2 4 1 也对o 桥进行了损伤识别研究，利用振型曲率计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥梁的损伤。这种算法能在未知结构材料特性的条件下进行结构损伤定位。f a r r a r 和j a u r e g u i l 2 5 到】仍然以1 - 4 0 桥为对象，通过进一步的研究认为，振型数据对损伤定位和定量的研究能够提供更加有用的信息。f a r r a r 和d o e b l i n g 等口”9 j 在a l a m o s a 峡谷项目的研究中，对位于南墨西哥州t r u t h 小镇的一个使用6 年的桥梁进行了短期监测，重点研究了桥梁在2 4 小时内识别结构参数的统计特性。近来，我国也开展了一些桥梁健康诊断的研究工作，秦权等 3 0 - 3 2 1 以香港青马大桥为背景，对桥梁健康监测中的模态识别、损伤识别、传感器优化布置和误差分析等问题进行了研究，为青马大桥健康诊断系统的实现提供了一定的理论依据。建筑物结构的损伤识别研究最早可以追朔到1 9 8 0 年。p e 廿o s k i 和g l a z i k s s l 提出了一个带裂纹圆柱壳的简单分析模型，这个模型可以用来处理核反应堆的容器和管道建模闯6第一章结论题，从严格意义上讲，这篇论文研究的不是结构识别问题，但是，它强调了局部损伤影响结构完整性的思想，对以后结构损伤识别的研究产生了重要影响。然而，由于建筑结构形式的复杂多样，建筑物结构损伤识别多是针对具体闯题的，许多研究者以不周形式的结构模型为背景开展了广泛的研究。h e a m 和t e s t a l j 4 j 研究了焊接刚架结构的损伤识别问题，将损伤定义为杆件与板之间的连接裂纹，通过检查初始振型及共振频率的变化率来识别刚架连接损伤，但是，这种方法无法区分结构对称部位的损伤。l a m 掣3 5 j 基于振型观测数据，研究r 钢框架的损伤识别问题。将四个粱柱接点和两个柱基础接点的连接放松模拟为结构损伤，使用灵敏度分析方法从六个可能的损伤状态中正确地识别了结构损伤。s k j a e r b a e k 等1 3 6 】提出了一种利用结构顶部响应观测数据来识别多层钢筋混凝土框架结构损伤识别的方法，将子结构刚度矩阵的平均相对减少量定义为子结构的损伤指标，通过数值模拟研究了在不同地震作用下钢筋混凝土框架的损伤情况，这种方法在较高水平激励下可以正确识别结构的损伤识别位置。p f i o n 等田1 分别使用冲击和环境激励的方法测试了一个钢剪力墙四层框架结构，计算了未损伤和损伤状态的共振频率、模态阻尼和模态振型，发现损伤会导致结构共振频率降低，粘滞阻尼的变化不能显示出相同的趋势。为了解决观测自由度不完整的问题，k o h 等1 3 8 j 使用缩聚方法研究了多层剐架结构的局部损伤识别问题，分别进行了1 2 层平面刚架结构和6 层钢框架结构的数值模拟研究，成功识别了层间剐度降低1 0 4 5 6 的损伤。s t r a s e r 和k i r 锄i d i i a n 【3 9 】使用广义k a l m a n 滤波器方法和非线性滞回模型研究了结构损伤识别问题，在良好初始猜测的基础上，准确地识别了结构层间参数，在研究中也指出了这种方法的不足，即对初始模型的依赖和问题求解规模的限制。王云剑【4 0 】利用振动反问题理论，通过工程结构动态参数的测试，研究了工程结构强度评定方法，在对工程结构振动特性广泛调查的基础上，指出剪切型结构是目前应用最为广泛的一种结构形式。李洪泉等 4 1 】根据试验结果，提出了剪切型钢筋混凝土结构地震损伤的识别方法，分别研究了完整模态和非完整模态的结构损伤状态参数的识别算法。李国强等【4 2 嗡高层建筑等高柔度结构当作弯剪型悬臂结构，提出了一种利用结构动力模态数据识别结构损伤的柔度方法，算例和试验分析表明，这种方法所需模态阶数少，便于实际应用。綦宝辉m j 应用有限元方法，建立结构柔度矩阵，在柔度阵法识别结构损伤的基础上，构造损伤识别的二次规划模型，提出了一种悬臂弯剪型建筑结构的损伤识别方法。通过一个悬臂弯剪结构损伤识别的数值模拟表明只需低阶模态参数就可以有效地识别结构损伤。1 3结构损伤识别理论及方法损伤识别技术可分为局部损伤识别( l o c a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 技术和全局损伤识别( g l o b a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ) 技术。局部损伤识别技术主要用于探测结构的局部损伤。该技术又分为两类：一类是利用染色渗透、z 射线、，射线、光干涉、超声波和大连理工大学博士学位论义电磁学监测等技术对结构的某些局部进行定期检查。染色渗透技术是对结构的局部表面进行涂层，涂料则渗透到裂缝里，观察表面就可以发现表面的裂纹。z 射线、，射线探损技术是利用构件射线照片进行损伤识别。超声波技术是向构件发射高频声波并测量折射情况，从而识别出结构的损伤。电磁学检测技术是利用涡流和磁场的原理进行结构损伤【1 5 8 1 。这类技术在建筑、航天和船舶等领域有着广泛的应用。但这类技术在应用上有很多缺点：一是对一些不可见、不开敞的部件难以监测；二是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不可能的；三是这类技术要求监测人员必须到现场才能检测【9 l 。可见这类技术仅适用于小型结构的检测，对于一些不可见、不开敞的部位，则无法实施。另外一种局部损伤识别技术是把传感器固定在一些重要部件中，从而对这些部件进行远距离检测。其优点是可以直接确定构件的裂纹及其位置，这种技术在许多方面锝到了应用。但对于大型、复杂结构，这种技术用来检测结构的每一部位是不可能的。为了解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题，于是出现了全局识别方法。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全局性损伤识别方法，本文所论述以及研究的损伤识别方法特指全局性的损伤识别方法( 以下简称为损伤识别方法) 。由于结构损伤识别技术是- - 1 7 新兴的多学科领域知识交叉的学科，目前正处于蓬勃发展之中，因此，还很难非常确切地进行分类。本章将以基于结构模态参数的结构损伤识别方法为主，对常用的结构损伤识别方法迸行介绍和评述。1 3 。i 基于结构固有频率变化的损伤识别方法结构物理特性的变化将导致结构频率的改变，这一现象直接推动了模态测试在结构损伤识别和健康监测中的应用。固有频率是模态参数中最易获得的一个参数，而且识别精度高。基于固有频率的变化进行损伤识别的方法很多1 4 - 5 7 1 。这类方法的共同特点是：认为结构发生损伤时，仅结构的剐度降低，而忽略结构质量的变化，并在结构损伤之前建立一个修正的理论模型，从理论上讲，发生损伤以后的任意二阶频率改变量之比仅是损伤位置的函数，而与损伤的程度无关。其损伤识别的步骤为：第一，根据理论模型，先假设结构可能有组损伤位置的方案，并计算每个理论方案所对应的任意二阶频率改变之比i 第二，计算试验测量的任意二个频率改变之比；第三，将上述理论比值与试验比值进行比较，找出与实测最为接近的理论值，则该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态。于是获得了结构的损伤位置。v a n d i v e r 和l o l a n d 【9 1 1 , 1 3 1 等人以海洋石油平台为背景，根据结构观测频率的改变，采第一章结论用直接方法研究了石油平台的损伤识别、u 】题，得出的结论为：频率时结构特性的全局量，对结构的局部损伤不敏感；环境因素对结构的频率观测有较大的影响。因此如果单独采用结构频率的改变来识别结构的损伤，会出现较大的识别误差，在实际工程结构上应用是困难的。c a w l e y 和a d a m a s l 研究t n 用频率改变数据识别复合材料损伤识别的问题，考虑到结构各种可能的损伤情况，把预测频率改变率与观测频率改变率的差值作为误差函数，通过比较误差函数的值，将最小误差对应的结