（工程力学专业论文）动静结合法在钢桁架损伤诊断中的应用研究.pdf

摘要 摘要 工程结构在复杂的服役环境中由于种种原因可能会发生不同程度的劣 化、损伤，损伤的不断积累容易导致结构灾难性事故的发生，从而导致严 重的生命和财产损失。因此，及时对结构进行损伤识别具有重要意义。本 文在深入总结现有的结构损伤诊断方法的基础上，重点讨论了动静结合方 法在结构损伤诊断中的应用，并且对使用对称信号方法识别局部损伤进行 了深入的探讨。主要内容如下： 1 设计建造了一个长8 米的钢桁架模型，通过替换不同截面的杆件构 造了1 2 种用以代表不同损伤程度的桁架模型； 2 对上述的1 2 种模型进行了系统的动力和静力测试，得到了其模念参 数、荷载一位移特性等力学参数： 3 基于集中质量的单自由度简支梁模型，研究了1 2 种不同的损伤形式 下模型的一阶固有振动频率和结构静刚度的一一对应关系。通过线性回归 方法，建立了频率平方值与结构静刚度之间的线性关系，以探讨用结构频 率预测刚度的有效性； 4 基于概率分布理论，分析了结构固有频率平方值分布与结构刚度的 关系。基于最大刚度为结构健康的假定，确定了试验结构健康频率识别的 最小分辨率。 5 利用对称信号法，通过比对对称位置杆件的局部振动信号，实现了 结构损伤的定位。 关键词：结构损伤诊断，动静结合法，刚度，频率，对称信号法 a b s t r a c t a b s t r a c t s n l l c n 】r e ss e r v i n gi nc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n to f t e ns u f f e rf r o md i f f e r c n t k i n d so fd a m a g e sa n dd e t e r i o r a t i o n w i t ht h ea c c u m u l a t i o no fd a m a g e s ，s u d d e n c o l l a p s em a yh a p p e na n dc a u s eg r e a tl o s so fl i v e sa n dp r o p e r t y s oi tm a k e s g r e a ts e n s et od e t e c tt h ed a m a g e so fs t r u c t u r e si nt i m e i nt h i st h e s i s ，v i b r a t i o n b a s e dd a m a g ed e t e c t i o nt h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ed i s c u s s e d ，an e wm e t h o d w h i c hc o m b i n e st h es t a t i ct e s ta n dd y n a m i ct e s ti sp r o p o s e da n ds t u d i e di nd e t a i l t h es y m m e t r i c a ls i g n a lm e t h o d ( s s m ) i su s e df o rd e t e r m i n a t i o no fd a m a g e l o c a t i o n t h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) as t e e lt r u s sm o d e lw i t hl e n g t ho f8m e t e r sl o n gi ss e t u p ，b yr e p l a c i n g e l e m e n t s w i t hd i f f e r e n tc r o s s s e c t i o n s ；t w e l v e t r u s sm o d e l s r e p r e s e n t i n g d i f f e r e n te x t e n to fd a m a g ea r eo b t a i n e d ( 2 ) a l lt h e12m o d e l sa r et e s t e ds t a t i c a l l ya n dd y n a m i c a l l yt om e a s u r et h e i r l o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e sa n dm o d ep a r a m e t e r s ( 3 ) t h et r u s sm o d e l s a l es i m p l i f i e da s s i m p l es u p p o r tb e a m sw i t h c o n c e n t r a t e dm a s sa tm i ds p a n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i r s tm o d ef r e q u e n c y a n ds t i f f n e s si sr e g r e s s e d a n dt h i sr e l a t i o n s h i pc a nb eu s e dt oe x t r a p o l a t es t a t i c b e h a v i o r o fs t r u c t u r e 【4 ) al i n e a re q u a t i o nb e t w e e ns t i f f n e s sa n dt h es q u a r eo ff r e q u e n c yo b t a i n e d b yr e g r e s s i n go ft e s td a t af r o mt w e l v em o d e l s t h u st h er e s o l u t i o no ft h i sn e w m e t h o di sd e t e r m i n e d ( 5 ) t h es y m m e t r i c a ls i g n a lm e t h o d ( s s m ) i su s e dt of i n dt h ee x a c tl o c a t i o n o ft h ed a m a g e k e y w o r d s ：s t r u c t u r a ld a m a g ed e t e c t i o n ，s y m m e t r i c a ls i g n a lm e t h o d ， n a t u r a lf r e q u e n c y , s t i f f n e s s ，c o m b i n a t i o nb e t w e e nd y n a m i ca n d s t a t i cs i g n a l s 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得中国地震局工程 力学研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王查! 亟签字日期：碲旦黟 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局工程力学研究所有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅：本人授权中国地震局工程力学研究所可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 人类文明的进步和社会经济的发展，极大的促进了人们对交通运输需 求的增长，而桥梁是交通运输线路的重要组成部分，桥梁结构的健康状态 是交通运输正常运行的前提。由于设计、施工、管理、环境腐蚀、自然灾 害等原因，目前已有不少桥梁出现老化、破损、裂缝等现象，同时日益增 加的交通量以及重车、超重车过桥数量的增加更是加快了这一进程。如果 桥梁结构一旦发生破坏，对国民经济、社会稳定以及人民的生命财产具有 直接的重大影响。很早以来，人们就意识到对桥梁进行健康监测的重要性， 但由于早期的健康监测技术比较落后，因此发生过一些惨痛的工程事故。 例如，1 9 9 2 年比利时一座先张预应力混凝土桥倒塌：1 9 9 4 年韩国汉城的圣 水大桥断塌：1 9 9 9 年重庆綦江县彩虹桥突然倒塌：2 0 0 0 年台湾高屏大桥事 故：2 0 0 1 年四川宜宾南门大桥桥面断裂坍塌：2 0 0 4 年辽宁盘锦f f l 庄台大桥跨 塌等。这些事故不仅造成了很大的人员伤亡和经济损失，而且产生了极坏 的社会影响。 目前国内外许多桥梁都存在不同程度的安全隐患。据有关资料显示， 美国现有近6 9 万座公路桥，其中一半以上的使用年限已经超过了5 0 年： 三分之一的桥梁使用率很低或者干脆报废，每年使用在桥梁维修上的费用 就超过5 0 亿美元。美国联邦公路管理局的统计数据( 表卜1 ) 1 4 1 j 表 明：1 9 5 0 - 1 9 9 4 年美国所建的跨度大于六米的桥梁，结构的平均缺陷率在1 0 左右，但是不通类型的桥梁的缺陷率相差较大，其中以木桥的缺陷率最高， 钢桥次之。在加拿大，为修复桥梁损坏的全部基础设施工程估计需耗费5 0 0 0 亿美元。在英国，1 9 6 5 年至1 9 8 0 年的改造项目逐年增加，1 9 8 0 年的检测、 维修改造工程已经占建设工程总量的三分之二，其中用于混凝土结构检测 与修复的费用达2 0 0 亿英镑。在我国交通量与日俱增，车辆载重不断提升， 缺乏例行维修，不少桥梁处于带病超负荷工作的状态，尽管新桥不断建成 投入使用，但同时更多的旧有桥梁到达或即将到达设计服役期，截止2 0 0 0 年底，我国的公路危桥为9 5 9 7 座，公路桥梁每年实需维修费用3 8 亿元， 实际到位仅8 亿元，可见桥梁工程结构的损伤和破坏并不是个别现象。一 般说来，一座桥的安全应该由合理的设计来保证的，而不能指望和依靠健 康检测系统，但是限于人们当前对复杂结构的认识程度仍然有限，许多不 可确定因素的影响，例如结构超期服役，热带风暴，腐蚀，疲劳，甚至突 发性的地震、车、船的冲碰撞等危害性事件，超出人们所能有效控制的范 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 围，这些都可能使结构达不到设计所预计的服务能力或寿命。特别是大型 桥梁不但造价昂贵，而且多位于重要的交通线上，一旦它们出现倒塌事故， 将至少在几年内影响大范围地区的交通、经济和社会发展 1 9 1o 试图了解和 评估结构的损伤状态，为其安全决策提供可靠依据，是当前结构工程研究 的热点问题，其过程即所谓的结构损伤识别( d a m a g ed e t e c t i o n ) 或结构健 康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o t i n gs h m ) ，其基本概念为通过在结构 上安装的结构响应采集系统获得结构损伤前后的反应，依据采集的不同类 型的数据，例如静力的应变、挠度，动力的动力响应时程等，从中提取损 伤识别特征，依据不同的损伤识别理论对结构的损伤进行诊断。采集过程 可以是周期性的长期连续监测，也可以是在有破坏性事件发生后或对结构 安全性有怀疑的时候进行的临时检测：而所谓的诊断包括三个方面，即损伤 的识别、损伤的定位和损伤度的评估。对土木结构而言，损伤通常指结构 系统材料和几何性质的改变，这些改变包括边界条件，结构节点连接等显 著影响系统性能的变化【5 】。目前建立监测结构健康状态的系统，以了解桥梁 结构当前的状态，为其剩余寿命的利用、维修、加固决策提供科学的依据， 已越来越多地得到了学术界与工程界的关注【5 r 1 7 l 。从结构的重要性和目前建 立监测系统较高的代价考虑，桥梁结构健康监测及状态评估的技术应主要 面向大跨度桥梁，确保其设计使用安全性和耐久性能达到预期的标准，以 减少和避免重大的社会损失，是首先要明确的问题。当然，从本质上讲其 概念和通用方法适用于几乎各种工程结构。 表卜l 美国公路桥梁结构性缺陷表( 1 9 5 0 1 9 9 4 ) 4 1 1 由结构性缺陷的桥梁 桥梁类型单位( 座) ( 座) ( ) 钢筋混凝土桥梁 9 1 8 8 66 0 2 7 6 6 预应力混凝土桥梁 8 8 3 0 43 2 1 2 3 6 钢桥 1 1 8 4 2 42 2 9 1 8 1 9 4 木桥 2 1 8 1 71 3 1 1 94 7 4 其他 1 3 0 9 2 1 11 6 3 总计 3 2 7 8 2 94 5 5 8 71 3 9 近几年，国内外许多的大型桥梁都安装了不同规模的用于健康诊断的 实时检测系统。美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器， 用以验证设计假定、监视施工质量和服役状利1 刀。丹麦对总长1 7 2 6 米的 f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的检测，旨在获取桥梁完好状 态的出示健康信息，以便以后使用不同阶段的健康信息进行比较，来判断 桥梁是否发上了损伤。墨西哥对t a m p i c o 斜拉桥进行了动力特征测试，旨 第一章绪论 在检查桥梁的健康状态，英国于8 0 年代后期，在n o r t h e r ni r e l a n d 的f o y l e 桥( 主桥为总长5 2 2 m 的三跨变高度连续钢箱梁) 上安装了监测仪器和设备， 试图探索一套有效的、可广泛应用于类似结构的监测系统，该系统的主要 监测项目有：桥梁主跨挠度、气象数据、温度及应变等。美国w i s c o n s i n 一 座已有6 5 年历史的提升式桥( l i f tb r i d g e ) m i c h i g a ns t r e e tb r i d g e 上， 安装了世界一上第一套全桥远程监测系统，以监测桥上的裂缝扩展情况。 美国f l o r i d a 的s u n s h i n es k y w a y 桥上安装的传感器超过5 0 0 个，用来测 量在桥梁建设过程中和建成后桥梁的温度、应变及位移情况。希腊的h a l k i s 桥( 主跨2 1 5 m 的双塔双索面斜拉桥) 1 9 9 4 年安装了有4 8 通道振动加速度传 感器的测振系统。曼谷的单索面双塔斜拉桥r a m ai x 于1 9 9 4 年，韩国的 n a m h a e 悬索桥于l1 9 9 6 年分别安装了结构整体性与安全性在线警报系统 ( 0 n l i n ea l e r t i n go fs t r u c t u r a li n t e g r i t ya n ds a f e t ys y s t e m ，o a s i s ) o a s i s 系统是一套包含软件和硬件的商业化的远程监测系统，由传感器系 统，数据采集系统和数据处理及报警系统组成，采集系统和数据处理及报 警系统之间采用光纤连接。香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥上安 装了目前世界上规模最大的实时安全监测系统，三座桥上的监测系统包括 传感器系统，信息收集系统，信息处理和分析系统和系统运作和控制电脑 系统，其中传感器系统由约9 0 0 个各类传感器及有关附件组成。信息收集 系统为桥内的9 个电脑控制的信息采集站。信息处理和分析系统为桥监室 中的2 台电脑工作站，负责分析由光纤网络传至的由信息采集站数字化的 信息。系统运作和控制电脑亦为2 台工作站，分别负责结构分析和评估及 图像处理的工作。两跨的哥伦比亚h o r m i g u e r o 钢桁桥，总长1 2 4 m ，横跨 c a u c a 河己有5 0 余年历史，位于连接p u e r t ot e j a d a 市和c a l i 市间的干道 上。桥梁由于经常通过超载的重型货车，近年来已出现明显的退化迹象， 大部分节点均存在不同程度的损伤，混凝土桥面存在无数的坑洼和裂缝， 中墩基础木桩受水冲刷大多暴露和存在损伤。c a i c e d o ，j u a nm 等人探讨了 一种通过识别结构固有频率进行结构健康监测的可行性，这一低成本系统 利用交通荷载作激振源，通过安放于桥上的8 个加速度传感器采集信号并 用远程遥感系统传送数据到c o l o m b i a n 西南地震观测站进行数模转换，再 通过互联网传输数字化数据到远方的地震及动力试验室进行信号处理和损 伤识别。 鉴于上述情况，当前对现有的以及新建的大型土木工程结构，在使用 期间内进行结构损伤识别，检测与评估的技术方法研究，正日益成为土木 工程领域内一个重要的研究课题。要对结构的健康状况做出正确诊断，首 先要有正确的理论进行指导，然后是可提供诊断所需要信息的技术手段。 目前国内外的研究工作主要针对提取、传输信息的技术手段，指导理论方 面的成果仍然局限与传统的结构动力反演方面。其指导思想是模态参数的 改变超过某一限值的时候就意味着结构的损伤。然而事实证明，结构的全 中国地震局1 = 程力学研究所硕士学位论文 局模态参数对于局部的损伤很不敏感。有限元的方法在建模的时候必然要 做出很多与实际不同的假定，然而这些假定带有很大的主观性，即使用已 有的参数进行模型的修正，也很难完全的模拟结构的真实状态，所以将有 限元的分析结果用来判断结构健康的可靠性还有待时间的检验。另外，结 构在当前环境下得到的信息与结构的原始信息并不处于同一噪声环境下， 而且有时候结构的原始信息不完整，这都为以结构的完好状态的模态参数 作为损伤诊断的基准带来了莫大的困难。所以研究新的不依赖于结构原始 信息的损伤诊断基准具有重大的现实意义，会对结构的损伤识别和健康监 测起到了非常重要的推动作用。 1 2 结构损伤识别和健康监测的概述 损伤识别是指结构在受到自然的( 如地震，强风等) 、人为的破坏，或 者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标，检查其是否受到损伤， 如果受到损伤，损伤位置，程度如何，可否继续使用及其剩余寿命等。损 伤诊断可以从很多层面上来理解，但最基本的目标是简单地确认结构是否 存在损伤。结构损伤实际上是结构性态的改变，结构损伤识别就是要根据 结构性态的变化去判断结构损伤的情况。结构损伤识别的基本问题有三个： 判别结构是否有损伤：判别结构的损伤位置：判别结构的损伤程度。 在上述三个基本问题中，问题最简单，问题最困难，如果同时求解三 个问题，则难度还要加大。在工程实际应用中，通常是分两步进行：先求解 问题和，再求解问题，即先识别结构损伤的出现和位置，再识别结 构损伤的程度。此即是通常所谓的“两步法1 1 4 。 结构的健康监测是在结构损伤识别的基础上，利用现场的无损检测技术 获得结构内部信息，分析包括结构响应在内的结构各种系统特征，以便了 解结构因损伤或退化而造成的改变。其实，结构健康监测并不是一个新的 概念，对结构的应变、加速度、速度、位移、旋转等参数的测量一直是结 构工程的基本方法。由于土木工程结构的特殊性，如结构型式多样、服役 周期长、影响结构性能的因素复杂多变等，对其进行监测比一般的机械系 统要复杂得多。理想的健康监测系统应能在结构损伤出现的较早时期发现 损伤，在传感器允许的情况下，结合损伤识别技术确定损伤的位置，评估 损伤程度，预测剩余的有效寿命。通常健康监测的过程包括：通过一系列 传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤 敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的 健康状况。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中 老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。目前人们关心的问题 是，结构损伤到什么程度才能危及其安全性能。因此，健康监测的一个目 第一章绪论 标就是在这个临界点到来之前提早检测出结构的损伤，这是个实时在线监 测过程。 结构健康监测系统一般包括以下几部分：( 1 ) 传感系统：包括感知元件 的选择和传感器网络在结构中的布置方案，用于将待测物理量转变为电信 号。( 2 ) 数据采集和处理系统；由强大的计算机系统组成，一般安装于待测 结构中，采集传感系统的数据并进行初步处理。( 3 ) 通讯系统：将采集并处 理的数据传输到监测中心。( 4 ) 监测中心与报警设备；利用具备诊断功能的 软硬件对接受到的数据进行诊断，判断损伤的发生、位置、程度，对结构 健康状况做出评估，如发现异常，发出报警系统。传感器监测的实时信号 通过信号采集装置送到监控中心，进行处理和判断，从而对结构的健康状 态进行评估，并由故障诊断分析系统或专家人员分析查明异常原因，以便 系统安全可靠的运行。下面图示举例了桥梁的检测系统【3 4 1 。 图1 - 1 桥梁健康监测系统的组成 1 3 结构损伤识别和健康监测发展概况 对结构进行损伤探测的研究始于2 0 世纪4 0 年代。探伤技术的发展经历 了由定性到定量分析两个阶段，早期的探伤主要是定性检测，检测的方法 以目测为主，分析的主要手段是靠工程师的知识积累和主观分析，随着当 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 今结构形式越来越复杂，定性检测已不能满足实际的需要，在科学技术发 展的巨大促进下，检测技术的发展重点己由定性检测转向定量检测，即在 发现损伤的基础上，需要进一步确定损伤的位置和损伤的程度。结构损伤 的探测技术经几十年的发展己形成多种方法，其中x 射线照像术、超声波 探伤、电磁检测、声波检测技术已有广泛的应用，但上述大部分检测实验 技术要求事先己知损伤产生的大致部位，并且要检查的结构部位容易接近。 对那些不可见、不开敝的结构部件、大型复杂结构以及人们不宣接近的结 构，利用上述方法则无法进行损伤探测。正因为如此，人们设想能不能通 过对结构整体特性，如动力特性和状态反应等的测量来诊断与评价损伤， 实际证明这种方法是可行的。整体诊断与评价是对结构的特性参数如频率、 相位、振型、阻尼及状态量等进行测量，通过分析这些量的变化对结构进 行诊断与评价。这一类的损伤识别的系统定义了四个损伤识别水平如下1 6 4 ： ( 1 ) 通过全局的检测手段探测损伤的存在，即判断结构是否发生了损伤： ( 2 ) 如果结构发生了损伤，进一步利用局部的检测手段对结构的损伤进行 定位：( 3 ) 建立损伤量化指标，对局部损伤进行量化，以便制定出合理的 维护和维修方案：( 4 ) 损伤探测的最终目的，即评估结构的剩余使用寿命。 当不使用结构模型时，基于震动测量的损伤识别方法对损伤的识别可以达 到( 1 ) 和( 2 ) 的水平。当使用结构模型时，在某些情况下基于震动测量 的损伤识别方法对损伤的识别可以达到( 3 ) 的水平。水平( 4 ) 与断裂力 学，疲劳寿命分析或者结构设计评定等诸多学科有关。 在此的基础上i n m a n 把r y t t e r 的四个损伤识别水平又添加了三个【5 副， 这个分类标准正是现代结构健康检测领域所关心的。由i n m a n 修正的损伤 识别分类水准包括以下七个方面：( 1 ) 识别损伤的存在：( 2 ) 识别损伤的 存在并对损伤进行定位；( 3 ) 识别损伤，定位损伤进而量化损伤；( 4 ) 识 别损伤、定位损伤、量化损伤进而预测结构的剩余使用寿命；( 5 ) 第四方 面与智能结构相结合形成自述评估系统：( 6 ) 第四方面与智能结构相结合 形成自诊断和修复系统；( 7 ) 结合主动控制形成实时健康监测和控制系统。 对于识别系统中，结构整体健康诊断与安全评定的研究方法主要有： ( 1 ) 模型修正法，通过有限元模型修正和误差定位，得到一组修正的物理参 数并以其再现测量数据，依据修正的模型对结构进行评定其安全状况。这 种方法的缺点是其可靠性难以确定。( 2 ) 对比方法，通常也称为动力指纹法， 假设有一系列损伤工况，包括损伤机制及位置，预测损伤的动态响应变化， 将结构的实测值与之比较，最相近的也就是最可能的损伤位置。该方法的 缺点是工作量太大，费用高。( 3 ) 神经网络方法，融合自动控制、数理统计、 计算机技术、以及相应的识别方法，通过神经网络的系统辨识原理，充分 利用其自适应、自反馈和自学习功能，以实验模态测试为手段，输入模态 参数，运算处理得到损伤的位置，并对结构进行评价。由于神经网络的容 错性好，对输入参数的准确性要求不高，因此，其前景比较看好。( 4 ) 体系 第一章绪论 可靠度分析方法，它是从概率的角度评价结构整体的安全程度。由于结构体 系复杂，结构的失效模式有惊人之多，加之各失效模式之间的相关性很强， 所以它是一个很难的研究课题，离实际应用尚有一段距离。目前的常用方 法是指标计算法，即把结构的安全状况按损伤程度人为地划分等级，通过 鉴定结构的实际情况，评定它所处的安全等级。( 5 ) 专家系统法，它是一种 模拟土木工程专家解决土木工程健康诊断与安全评定领域问题的计算机程 序系统，其内部含有大量的土木工程领域的健康诊断与安全评定的知识与 经验，可以用来解决健康诊断与安全评定问题。专家系统具有准确、效率 高、不受环境影响等优点，能带来巨大的经济与社会效益，因此，各国都 竞相开发专家系统。 对于具体的结构损伤识别方法，从总体上可以分为两类：静态识别方法 和动力识别方法。静态识别方法识别结果较为可靠，但存在着应用条件限 制和应用效率相对较低的缺点，动力识别方法应用的条件限制少，效率高， 但提取的结构响应信号易于受噪声的影响。从现有结构损伤识别研究成果 看，如果按识别对象的不同可分为三类：第一类问题是几何识别问题，即识 别结构损伤位置的几何形状和大小，该类问题一般依据波动理论进行反演： 第二类问题是几何与材料参数复合识别问题，即对结构损伤的位置、大小 和程度进行识别，或是利用有限元方法对结构损伤的单元和刚度进行识别： 第三类问题是载荷和结构物理参数复合识别问题，即要同时识别结构承受 的载荷和结构损伤的单元刚度。 1 4 结构损伤的识别方法 结构健康监测的关键问题是监测系统的实现和损伤位置、程度的确定， 这是结构健康监测与诊断的核心与难点，因此损伤检测技术是土木工程领 域的一大课题挑战。近些年来损伤识别技术发展很快，国内外学者结合系 统识别、振动理论、振动检测技术、信号采集与分析等多种学科创新出许 多新的识别方法e 3 8 删。这些方法按照不同的分类方法大致可以分为以下几 类：( 1 ) 按照损伤诊断部位不同分为局部法和整体法：( 2 ) 按照损伤诊断的特 征参数的不同分为基于振型识别、基于频率识别、基于柔度矩阵识别和基 于能量识别等多种方法；( 3 ) 从观察问题的角度不同可分为空间域识别方法、 模态域识别方法、时域识别方法和频域识方法。下面章节里将详细介绍这 些方法与应用 1 4 1 局部探伤技术方法 局部损伤识别技术主要应用于探测结构的局部损伤，主要包括目测法、 染色法、发射光谱法、回弹法、声发射法、渗漏试验法、射线法、脉冲回 波法、磁粒子法、磁扰动法和涡流法等等。 目测法也称直接观察法是结构损伤检测最常用和最直接的方法，然而该 方法对于复杂结构常常是不可能的，因为某些至关重要的损伤可能发生在 人们无法接近的区域，或者可能被油漆或表皮材料所覆盖。直接观察也不 能够对结构剩余强度的定量描述。另外某些对结构影响很大的损伤可能表 面上看起来并不明显，这就容易造成“误诊”。 染色渗透技术1 3 j 是对结构的局部表面进行涂层，涂料则渗透到裂缝里， 观察表面就可发现表面的裂纹。 声发射法又称应力波法【3 l ，主要应用于对大型构件结构的完整性进行监 测和评价。结构或组成结构的材料受外力或内力作用产生变形或断裂，以 弹性波形式释放出应变能的现象称为声发射。除极少数材料外，金属和菲 金属材料在一定条件下都能产生声发射，而且声发射诊断几乎不受材料限 制。采用声发射诊断法能对活动性缺陷进行动态检测，检测时采用声发射 探头将声发射源发射的弹性波转变为电信号，然后进行放大和处理，从而 得到一些声发射特征参数，根据这些参数即可推测材料内部声发射源的特 征或所处的状态，如果用多通道声发射监测系统，还可以确定声发射源即 缺陷的具体部位。与其他无损检测技术相比，声发射的检测灵敏度是最高 的，可以检测到微米数量级的显微裂纹变化。如果用多通道的探头，按一 定阵列方式固定布置在整个大型构件上的缺陷分布及其危害性，这是常规 无损检测方法所难以做到的。 以脉冲回波法为主的各种超生检测技术【2 训，已成为各种领域中材料和结 构件损伤检测和质量评估的常规手段。超声波检测技术是利用其遇到相异 介质能够反射的性质进行检测，具有良好的指向性，在不同的材料中衰减 性不同，检验灵敏度高、成本低和效率快。 射线检测指用x 射线、y 射线和直线加速器对结构缺陷情况进行非破坏 性检测，可检测结构内部缺陷位置和立体形状，用来判断结构是否可用或 为维修提供准确的参考依据。 电磁涡流技术主要检测交变磁场中导电材料感生涡流场，不需耦合和接 触，因此检测速度快，可以检测结构表面和内部缺陷。 近些年来，随着光纤传感器、光纤显微镜、形状记忆合金等新型智能材 料的发展，针对土木工程结构，出现了一些新的局部损伤检测方法。如l a m b 波法【s 刀，采用光纤干涉传感器，利用l a m b 模态和缺陷的关系检测；板的自 适应小波模型，可以分离l a m b 波的模态和反射：考虑到结构时域反映的几 何特点而提出的几何时域方法【7 0 1 ，对于微小损伤比较敏感，而对环境的波 形具有鲁棒形。无论是哪一种局部检测方法都仅能适用于结构的某些特殊 部分，对结构特定构件进行精确的检测、查找、描绘缺陷位置及形状，有 一定的局限性，对于大型结构需要整体损伤评估诊断。 第一章绪论 1 4 2 基于静力的整体识别方法 施加静力荷载比较直观，易于工程师接受，也是结构状态评估目前比较 普遍使用的方法。静力参数主要有结构刚度( 包括结构单元刚度) 、位移、 应变、残余力、材料参数如弹性模量、单元面积或惯性矩等。通常在单元 层次上，理应上述参数的残差分析来识别损伤。有限元模型修正通常使用 振动试验数据来识别损伤的变化，因为有限元模型的误差可能比损伤的变 化更大，所以有限元模型必须先用测得的模态特性和试验数据进行校准， 得到结构的基准有限元模型。只有当有限元模型是可靠的，有限元模型修 f 的结果才是可靠的。目前认为：既然自然频率、振型和结构系统的静力 响应都是结构参数的函数，这些参数可通过比较数学模型预测的静动力特 性得到。因此联合利用结构的静动力测试信息来进行有限元模型修正和损 伤识别是可行的。 1 4 3 基于动力指纹检测方法 以动力参数为识别基准的基本思想是：若结构发生损伤，其结构的基本 参数如质量，刚度等会发生改变，进而引起相应结构的动力参数如频率， 振型等也会发生改变。将这些动力参数的变化作为结构损伤的标志，并借 此进行结构健康诊断。我们通常应用到的动力参数有频率、振型、模念曲 率、应变模态、传递函数、功率谱、模态保证准则( m a c ) 、坐标模念保证 准则( c o m a c ) 、能量传递比( e t r ) 等。对于这些方法，已有大量的研究工 作者进行了试验和实际工程上的试验检测研究，已取得了一定的成果。以 下将会详细介绍一些常用的方法。 1 基于固有频率的结构损伤识别 基于频率为动力参数的识别方法应用最为广泛，由于固有频率是模态参 数中最易获得的一个参数，随着传感器的发展其识别精度较高。a d a m s 等人 m 2 j 提出了仅用测量的固有频率进行损伤识别和评估的方法。这是因为结构 损伤会导致的刚度的降低，进而会导致振动系统的固有频率的降低，因此， 根据结构固有频率的变化可以检测损伤的存在。h e a r na n dt e s t a s s ! 利用不 同的损伤识别方法研究了单一位置微小损伤情况。研究表明，两模态固有 频率变化之比仅依赖于损伤位置，而与损伤程度无关。p a t i l 和m a i t i 【6 l 】 把基于频率测量的损伤探测方法应用到e u l e r b e r n o u l li 梁上，用来识别 梁上的裂缝损伤。该方法明确地给出了梁的自振频率变化与损伤参数之f b j 的线性关系。作者做了两个工况的数值模拟，即裂缝的大小分别为截面的 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 0 或者更大，而且使用一个旋转弹簧模拟裂缝。数值模拟结果表明，识别 的裂缝位置与尺寸和实际的裂缝位置与尺寸的误差分别小于1 0 和1 5 。文 献 6 7 ，4 4 对这种技术给出了很好的总结。这类方法的共同点是：认为结构 发生损伤时，仅结构的刚度降低，而忽略结构的质量变化，并在结构早期 损伤之前建立一个修正的理论模型，从理论上讲，发生破损以后的任意两 阶频率改变量之比仅是破损位置的函数，而与破损大小无关。我的实验也 主要采用了这种方法进行研究，并取得了一定成果，在下面章节里会详细 介绍。当然这种方法根据许多实践表明也有一定的不足：( 1 ) 固有频率对 结构早期损伤有时并不敏感，往往只能发现破损，而无法确定破损的位置 4 7 , 4 8 。这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化【4 7 】【5 8 】；( 2 ) 虽 然当损伤的位置在结构的高应力区域时，利用固有频率的变化进行损伤识 别比较可靠，但是当损伤位置在结构的低应力区域时，利用固有频率的变 化将无法识别损伤；( 3 ) 随着结构早期损伤量的减少，固有频率的变化是 从低阶移向高阶，而高阶固有频率变化是很难识别的。所以利用固有频率 的变化无法识别结构的小损伤。 2 基于振型变化的结构损伤识别 相对结构固有频率而言，结构的固有振型包含了更多的损伤信息，特别 是对结构损伤进行定位，利用结构固有振型要更加准确。因此，国内外众 多研究者运用结构固有振型作为损伤标示量对结构的损伤问题进行了研 究。s r e e n i v a sa l a m p a l l i 6 9 】利用前后两次实验测得的结构振型建立模态胃信 度判据m a c 、c o m a c ，然后利用模态置信判据对一钢架梁结的损伤问题进 行了研究。其基本原理是：当损伤为发生时，模态置信判据为1 ，当结构有 损伤发生时，由于结构振型的变化，模态置信判据不为1 。g c y a o l 4 s 】 等分别用位移振型( d m s ) 和应变振型( s m s ) 研究了一五层框架结构局 部损伤问题，他们通过框架结构六种不同位置的损伤观测了损伤引起结构 位移振型和应变振型的变化，比较了位移振型和应变振型对结构损伤的灵 敏度。结臬说明位移振型对结构某些位置的损伤较敏感，对某些位置的损 伤则不敏感，而应变振型则对不同位置的损伤都较敏感。钱管良和顾松年 等【1 8 】利用结构损伤前后一阶振型的变化研究了板结构损伤位置识别问题。 通过振型的变化量在自由度上的叠加以振型变化的最大量确定板的损伤位 置。郭国会1 6 】等运用结构振型的变化研究了一个十一层框架结构的损伤问 题，通过分析结构振型对结构刚度变化的灵敏度，建立了结构刚度变化与 结构振型变化的理论关系式：ak = s 4 。，其中s 为灵敏度矩阵，并通过 对灵敏度矩阵的识别及一阶振型的变化的测量，即可识别结构的损伤问题。 利用结构振型的变化对结构损伤进行识别易于对结构损伤定位，但存在的 主要问题是：当损伤发生在某阶振型的节点上时，无论损伤有多大，改振型 第一章绪论 都不会有很大的变化，也就是说只有当损伤发生在某个振型的节点之间时， 振型对损伤才比较敏感。如果要对损伤进行准确的判断，少数的几阶振型 是不够的，需要对多个振型进行综合的判断。但因此而来的另外的问题是， 在实际的结构损伤识别中，获得结构的一阶振型是比较的容易的，但是结 构3 阶以后的振型实际的测量过程中存在很大的困难，精度远远低于固有 频率的测量，这会很大的影响损伤的识别精度。 3 基于刚度变化的损伤识别 当结构发生损伤时，刚度矩阵提供的信息一般比质量矩阵多。结构损伤 一般不影响结构的质量特性，而对结构的刚度特性和结构阻尼会产生一定 程度的影响。因此，在假定结构的质量特性不变时，结构模型修正技术也 可以用来识别和定位损伤。先考虑无阻尼自由振动的情况，此时，特征方 程式可简化为： ( 【k 】一毛 m ) 【巾】，= 0 ( 1 1 ) 其中入- - , o ， 矽】，为第j 阶正则化主模态向量。设由结构损伤引起的结构刚 度矩阵、特征值和特征向量的变化分别为【d k 】、觑，和【却】，经过化简后 可得式( 1 - 2 ) 吼= w 万k 】， f 】2 l 可以看到，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：一些位置的损伤会对某些低频成分的影响大些：另一些 位雹的损伤则对某些高频成分的影响大些：还有一些位置的损伤及其组合， 则对结构某些特定频率的改变影响不大。以【6 k 】的元素为求解对象，式( 1 - 2 ) 理论上最多含有n ( n + 1 ) 2 个未知参数，而可利用的方程最多为n ( n 为系统 自由度) 个。对于任意n ( n 2 ) ，有n ( 1 1 十1 ) 2 n ，因此，式( 1 - 2 ) 一般情况 下不存在唯一解。假定单元损伤导致损伤单元刚度的各个元素按同一比例 变化，即 以= c 矽】7 k e ，】【矽】 】 c ) = 飘) t - - - i 1 - 3 ) 其中 k e 】为单元i 的刚度矩阵，c 。为损伤修正比，n 为单元总数； c = c 1c ：，巳) 。， 觑) = 以，吼，阮) 7 ，【巧】为所玎阶矩阵，m 为 测试频率总数，【巧】= 膨】r ，【k f 】【矽】，。则 c ) 的最小范数最小二乘解为： c ) = 巧九锨】 f 1 4 ) 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 其中【巧】+ 为【巧】的m o o r e p e n r o s e 广义逆，我们可以根据 c ) 的大小进行 损伤识别和定位。 目前利用刚度矩阵的变化进行损伤识别的人很多，也取得了一定的研究 成果5 4 】f 4 6 1 。不过，结构发生较大的损伤时其刚度将发生显著的变化，但结 构发生微小的损伤时( 比如小于5 ) ，这类方法对损伤识别的效果不好。 4 基于柔度变化的损伤识别 如今许多研究者利用柔度的变化进行损伤识别，并取得了一些有益的成 剽3 4 儿2 j 1 7 j 。其主要原理是，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。随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的影响可以忽略 不计。这样只要测量前几阶低阶模态参数就可以获得精度较好的矩阵。根 据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出损伤位置。 文献 3 4 通过估计结构损伤前后柔度矩阵的改变，对五跨连续梁桥进行 了损伤诊断研究。数值模拟结果表明，当结构损伤位置较少时，该方法不 仅能探测结构损伤的出现和位置，而且还能对损伤程度做出大概的判断。 文献 2 利用试验获得的一阶模态参数，提出了一种桁架结构损伤识别的柔 度阵法，结构损伤后，引起柔度矩阵发生改变，从结构振动特征方程出发， 对柔度阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开，可以确定结构物理 参数的变化量，识别结构损伤部位及损伤程度。文献 7 研究了利用测量稳 态柔度矩阵来识别结构损伤的理论方法，提出了利用柔度矩阵进行模型修 正的方法可确定结构损伤的位置和程度，但其前提是需建立结构的有限元 分析模型。d o e b l i n g 等1 6 3 j 通过分解实验测得的柔度矩阵确定结构的局部刚 度。他们应用该方法对一个悬臂梁进行了数值模拟，证明了该方法确定结 构刚度的可行性。s o h n 和l a w 4 m s 3 提出了了从结构柔度矩阵中提取r i t z 向 量的方法。而结构系统的柔度矩阵是由振动试验中测量到的数据所构造的。 作者把该方法应用到一个井字梁式桥梁结构的损伤识别中，结果证明该方 法是有效的。y o n gg a o 等1 7 1 7 2 提出了基于柔度矩阵的损伤定位向量方法来 识别结构的损伤，并用一个平面桁架模型进行了数值验证。结果表明该方 法对于仅有1 5 的局部单元损伤仍然很有效，甚至在噪声的影响下，该方法 对单位置损伤和多位置损伤都能得到很好的识别效果。 s 基于应变能的损伤识别方法 在利用能量变化对结构进行损伤识别的方法中，一些方法利用结构模态 参数表达能量，另一些方法不仅用到模态参数同时还引入了有限元模型信 息。这些方法各有特点，文献【3 8 】对利用能量的变化对结构进行损伤识别有 第一章绪论 关方法作了很好的总结。l i a n gz 等利用能量传递比( e t r ) 对一桥梁损伤问题 进行了研究，将e t r 作为损伤定位参数。在损伤区域附近的e t r 的值比较 大，而远离损伤区域时盯r 变化值不大，同时e t r 对损伤的敏感程度远远 超过结构的固有频率，且e t r 易于对损伤进行定位和便于进行在线检测， 其缺点是没有考虑噪声的影响和只利用了结构的前几阶低阶模态，而其余 的模念被截断。史治宇等 2 1 1 1 2 2 1 提出了一种利用结构单元模态应变能( m s e ) 对结构损伤进行定位方法，其原理是利用结构的单元刚度矩阵和结构损伤 前后模态振型，计算结构的单元模态应变能的变化，将单元模态应变能的 变化量作为损伤的标示量，模态应变能变化大的单元即为损伤存在的单元。 唐小兵 2 6 1 等运用结构损伤前后固有频率的变化及模态应变能研究了一种结 构损伤定位方法，该方法采用有限元法分析了裂纹位置及深度对结构固有 频率的影响，定义了一个结构单元模态应变能比与结构各阶固有频率改变 量比值之差的最d - - 乘函数e n ，将e 。作为损伤误差函数，对结构的每一单 元计算出损伤误差函数e 。，如果e 。在某一单元达到最小，则认为结构在该 单元存在损伤。 6 基于曲率振型和曲率模态方法 用模态振型获得结构振动特性在空间上的变化规律，最好的选择是位 移模态振型的导数即曲率振型。这是因为，通过位移模态振型求曲率