（固体力学专业论文）基于应变模态的结构损伤检测方法研究.pdf

卜 l | l i i ii ii i ii i i i i ii i iiiii 19 0 6 0 7 2 t h es t u d i e so nd a m a g ed e t e c t i o no fs t r u c t u r e sb a s e do ns t r a i nm o d e h o n gl i b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 11 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n s o l i dm e c h a n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rf uy i m i n g j a n u a r y , 2 0 1 1 j 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 浓匆 1 日期：2 0 1 1 年1 月陟e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权湖南大学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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 磁力 缛狨 日期：2 0 1 1，月侈日 日期：知，年1 月，e l 硕卜学位论文 摘要 工程结构在荷载、温度、腐蚀等各种外部因素的作用下，会不可避免地产生 损伤，如微裂纹、微孔洞等。结构损伤的检测可以帮助人们及时进行加固以便降 低结构的损伤累积程度，减少事故隐患。 本文总结了工程结构损伤检测方法的研究现状，对基于应变模态的结构损伤 检测方法进行了探讨研究，并将其应用于大型复杂钢筋混凝土结构的损伤识别。 主要的研究内容如下。 综合了应变模态理论的研究成果，设计了一套全新的测试数据分析方法：各 测点的应变时程数据经过滤波降噪处理，采用快速傅里叶变换得到各个测点的幅 频曲线；然后通过有限元分析，获得结构的各阶固有频率，并据此将整个频率域 划分为包含各阶固有频率的区段；编制程序搜索每个频率区段，得到所测结构的 各阶真实频率及其振幅；最后通过三次样条插值得到对应于结构各阶固有频率的 应变模态振型。 设计、制作了预制损伤的试验构件，包括本构关系简单、支撑条件明确的金 属梁和较为复杂的钢筋混凝土箱梁。采用理论分析、数值仿真、模型试验相互验 证的研究方案，成功实现了损伤的定位。并摸索出一套行之有效的结构损伤检测 方案。 利用应变模态损伤检测法，对某现役桥梁的动态应变测试数据进行了处理， 评估了该桥梁的服役状态，为大型复杂结构的损伤检测积累了经验。 关键词：应变模态；损伤识别；振动测试；有限元仿真；桥梁检测 _-_-_-_-_-_-_li a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r ec a n n o ta v o i dd a m a g el i k em i c r o c r a c ko rm i c r o 。h o l ea n d s oo n ，u n d e ro u t e re f f e c t ss u c ha sl o a d ，t e m p e r a t u r e ，c o r r o s i o n t h es t r u c t u r a ld a m a g e d e t e c t i o nc a nh e l pp e o p l et ot a k em e a s u r e so fs t r e n g t h e n i n ga se a r l ya sp o s s i b l es oa s t or e d u c et h ea c c u m u l a t i o no fs t r u c t u r ed a m a g er e s u l t i n gi nr e d u c i n gt h ea c c i d e n t i n c i p i e n tf a u l t t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec u r r e n ts t u d y s i t u a t i o no nd a m a g ed e t e c t i o no f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e ，d i s c u s s e st h em e t h o d so fs t r u c t u r a ld a m a g ed e t e c t i o nb a s e do n s t r a i nm o d ea n di t sa p p l i c a t i o no nd a m a g ed e t e c t i o no fe a s e so fl a r g e - s i z ec o m p l i c a t e d r e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r e t h em a i np o i n t sa r ef o l l o w i n g s y n t h e s i z i n gt h es t u d ya c h i e v e m e n to fs t r a i nm o d et h e o r y , ab r a n d n e wa n a l y s i s m e t h o du p o nt e s td a t ai sl a i do u ti nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，a m p l i t u d ef r e q u e n c y r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fe a c hm e a s u r ep o i n tw h i c hi sp r o c e s s e db yn o i s er e d u c t i o n p r o c e s s i n gt h r o u g hf i l t e r i n gw a v ea n df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，a n dt h e n ，n a t u r a l f r e q u e n c yo fe v e r yr a n ko f t h et e s to b je c ti sc o m eo u tt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s b a s e do nd a t af o r e g o i n g ，t h ew h o l ef i e l do ff r e q u e n c yi sd i v i d e di n t os e c t o r sw h i c h c o n t a i nn a t u r a lf r e q u e n c yo fe v e r yr a n k ；t h en e x ts t e pi st op r o g r a mt h ec o m p u t e r s o f t w a r ew h i c hc a ns e a r c he v e r ys e c t o rt og e tt h ea c t u a lf r e q u e n c ya n di t sa m p l i t u d eo f e v e r yr a n k f i n a l l y , t h es t r a i nm o d es h a p ec o r r e s p o n d i n g t on a t u r a lf r e q u e n c yo fe v e r y r a n ki sc o m eo u tt h r o u g hc u b i cs p l i n ei n t e r p o l a t i o n t h i sp a p e ra l s od e s i g n sa n dm a n u f a c t u r e sd a m a g e p r e f a b r i c a t e dt e s ts t r u c t u r e i n c l u d i n gm e t a lb e a mw i t hs i m p l ec o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dd e f i n i t es u p p o r tc o n d i t i o n s a n dc o m p l i c a t e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb o xg i r d 。l o c a t i o no fs t r u c t u r ed a m a g ei s r e a l i z e dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e le x p e r i m e n t a n da s e to fe f f e c t i v ed e t e c t i o ns c h e m ei sf i g u r e do u t f u r t h e rm o r e ，t h i sp a p e ra s s e s s e st h es i t u a t i o no fa na c t i v es e r v i c eb r i d g eby p r o c e s s i n gt h ed y n a m i cs t r a i nt e s td a t au s i n gt h ed a m a g ed e t e c t i o nm e t h o db a s eo n s t a i nm o d e a i lt h e s ew o r kd e v o t e st oe x p e r i e n c e sa c c u m u l a t i o ni nd a m a g ed e t e c t i o n u p o nl a r g e s i z ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e k e y w o r d 譬：s t r a i nm o d e ；d a m a g ed e t e c t i o n ；v i b r a t i o n m e a s u r e m e n t ；f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ；b r i d g ei n s p e c t i o n i i i 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i j 商要i i a 】i ；s t r a c t 1 l i 第1 章绪论。1 1 1 研究背景及意义1 1 2 结构损伤检测技术的发展与现状2 1 2 1 局部损伤检测技术2 1 2 2 全局损伤检测技术2 1 3 本文主要研究内容7 1 4 本文的主要创新性工作8 第2 章相关理论9 2 1 损伤理论基础9 2 1 1 损伤的概念及其度量9 2 1 2 损伤的类型1 0 2 1 3 疲劳损伤及其演化1 l 2 2 模态分析理论15 2 2 1 传递函数1 5 2 2 2 模态矩阵1 8 2 2 3 模态矢量的归一化1 9 2 3 应变模态理论1 9 2 3 1 应变模态的基本概念2 0 2 3 2 应变传递函数矩阵2 1 2 3 3 应变模态的正交性2 2 2 4 信号处理中的傅里叶变换2 3 2 4 1 傅里叶级数与傅里叶变换2 3 2 4 2 离散傅里叶变换2 4 2 4 3 快速傅里叶变换2 4 2 5 小波分析理论简介2 5 2 6 动力有限元理论2 7 l v 基于应变模态的结构损伤枪测方法研究 2 6 1 动力有限元基本方程2 7 2 6 2 显式算法和隐式算法一2 8 2 6 3n e w t o n 迭代2 9 第3 章预制裂纹金属梁的损伤检测。3 1 3 1 金属梁的设计制作3l 3 2 金属损伤梁的有限元仿真一3 l 3 3 金属损伤梁的检测试验3 3 3 3 1 试验设备j 3 3 3 3 2 加载方式与信号采集3 5 3 3 3 数据分析3 6 3 3 4 二次检测试验4 3 3 4 金属梁损伤检测的试验小结4 5 第4 章预制缺陷钢筋混凝土箱梁的损伤检测4 6 4 1 钢筋混凝土箱粱的设计制作。4 6 4 2 钢筋混凝土箱梁的有限元仿真4 9 4 3 钢筋混凝土箱梁的检测试验5 1 4 3 1 预制损伤5 1 4 3 2 。加载方式与信号采集5 3 4 3 3 数据处理和结果分析 5 6 4 4 钢筋混凝土箱梁的试验小结6 2 第5 章现役桥梁的损伤检测6 4 5 1 测试桥梁简介6 4 5 2 测试方案6 6 5 2 1 准备工作6 6 5 2 2 测试步骤6 7 5 3 测试设备介绍6 7 5 4 测点布置和加载6 8 5 4 1 测点布置6 8 5 4 2 试验荷载7 0 5 5 数据分析7 0 5 5 1 有限元模拟7 0 5 5 2 测试数据分析7 2 5 6 现役桥梁损伤检测小结7 5 v 硕十学位论文 总结与展望。7 6 参考文献7 8 j 改谢；! ； 附录a 攻读学位期间发表的学术论文8 6 附录b 攻读学位期间参与的科研项目。8 7 v i 硕卜学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 工程结构在荷载、温度、腐蚀、材料老化等各种因素的长期作用下，将不可 避免地产生损伤，如微裂纹、微孔洞等。损伤的不断萌生和扩展，会造成结构承 载能力下降，甚至完全失效。地震、强风、高温、冰冻等自然灾害和施工缺陷、 超载超速、维护不当、车祸事故等人为因素会加速这一过程。 由损伤引起结构破坏的灾难性事故数不胜数。1 9 9 4 年l o 月，韩国汉城的圣 水大桥中央坍塌约5 0 米，造成3 2 人死亡，1 7 人重伤。2 0 0 7 年8 月1 日，美国明 尼苏达州明尼阿波利斯市的一座繁忙的跨河立交桥突然倒塌，6 0 多辆汽车跌入密 西西比河，9 人死亡，至少6 0 人受伤。1 9 9 5 年日本神户( k o b e ) 大地震中，许 多建筑物在遭受主震后，虽然没有立即倒塌，但结构已受到了严重的损伤而未能 及时加固，一些建筑物在后来震级较小的余震中反而倒塌了。1 9 8 3 年6 月2 8 日 凌晨一点钟，美国康涅狄州( c o n n e c t i c u t ) 的m i a n u s 江高速公路大桥突然倒塌， 桥上的数部车辆坠入江中，造成3 人死亡和3 人受伤，幸好事故发生的时间是凌 晨，如果发生在白天，其后果不堪设想；造成大桥倒塌的主要原因是大桥的腐蚀 和交变循环荷载引起的疲劳；然而，仅在九个月前，该州交通部门对该桥还进行 了安全检查。 在国内，类似的事故也时有发生。2 0 0 6 年1 1 月，陕西安康白河县内的冷水 大桥突然垮塌，1 人重伤，3 1 6 国道交通中断。2 0 0 1 年1 1 月7 日，被誉为“亚洲 第一拱桥”的四川宜宾南门大桥突然发生断裂坍塌，市区南北交通中断，被迫重 新启用己停止1 1 年的轮渡。2 0 0 0 年8 月2 7 日，台湾高屏大桥发生桥面断裂坍塌， 造成1 6 辆汽车坠河，2 2 人受伤。1 9 9 9 年1 月，重庆綦江县的彩虹桥突然整体垮 塌，4 1 人遇难。 随着社会的进步，需求的提高，现代工程结构正在向大型化、复杂化、高层 次、连续化方向发展。这些大型复杂结构或是繁忙的交通咽喉，或是人口稠密的 生产、生活中心，它们建设周期长、施工复杂、造价高昂，一旦发生坍塌等恶性 事故，会带来惊人的生命财产损失。 另一方面，当前我国很多工程结构已进入中老年期，而且普遍存在超载现象， 不可避免的存在各种损伤与病害，为事故埋下隐患。 如果能够及时、准确地掌握结构的损伤状况，就可以制定出正确的维修方案， 及时进行修复、加固，从而避免灾难的发生，延长使用寿命，同时也可以减少维 摹于戍变模态的结构损伤检测方法研究 修需要的费用。 结构健康监测及诊断系统【1 。6 】的研究正是在此背景下应运而生，而结构损伤检 测与识别则成为结构健康监测中的一项关键技术。 1 2 结构损伤检测技术的发展与现状 结构损伤检测，需要解决三大问题，一是判断结构有无损伤，二是定位损伤 位置，三是评定损伤程度。理论上，只要结构的某项指标对损伤敏感，即可通过 测量该指标在损伤前后的变化，来判断结构有无损伤；若是损伤指标具有明确的 位置标示，则可确定结构的损伤位置；若损伤指标还随损伤的程度呈单调变化趋 势，则还能判定结构的损伤程度。因此，损伤检测本质上就是对损伤指标的选定、 测量、分析判断的过程。 损伤检测技术手段纷繁复杂，大致上可以分为局部损伤检测技术和全局损伤 检测技术两大类。局部损伤检测技术主要针对结构的特定部位或者构件进行直接 检测，查找、描绘其中的缺陷。全局损伤检测技术则试图通过对结构整体状态的 评估，来实现损伤的检测，并可为结构某些部位的进一步检测提供指导。 1 2 1 局部损伤检测技术 早期的局部损伤检测技术主要是人工探视法、钻心取样法等传统检测方法， 人工探视法依赖于检测人员的经验，有很强的主观性而且无法检测结构内部的损 伤，而钻心取样法本身会对结构造成破坏，在应用中受到很大的限制。 无损检测法克服了上述缺点，在建筑、航空航天、船舶等领域获得了广泛的 应用。无损检测法包括染色渗透、磁粉法、电涡流法、射线成像法、脉冲回波、 超声波、热成像、探地雷达等测试方法【7 9 1 。 可以看出，局部损伤检测技术目的性强，结果具体、直观，某些方法具有相 当高的精度。但是，无论是有损检测还是无损检测，检测范围的局部性决定了检 测过程需要对可能的损伤区域有先验性认识，而且检测只能在检测人员及设备能 够到达的部位进行，难以实现结构健康状况的实时性监测，在应用中受到了一定 的限制。 因此，局部损伤检测技术仅适于检测结构的某些部位或者构件【。1 1 1 。 1 2 2 全局损伤检测技术 为了解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤检测问题，出现了许多全局损 伤检测技术，按照对损伤指标的不同分析和处理方法，全局损伤检测技术可分为 直接识别法、模型修正与系统识别法和无模型的智能识别方法。 1 2 2 1 直接识别法 硕士学位论文 直接识别法利用获取的损伤指标直接识别结构损伤的位置和程度。根据所选 损伤指标的不同，有的需要无损结构的相关信息作为基准参数，通过对比来检测 损伤；有的则不需要无损结构的相关信息，而根据损伤指标本身的特性直接检测 损伤。 根据损伤指标获取方法的不同，直接识别法大致上可以分为基于结构静力测 试的损伤检测法与基于结构动力特性的损伤检测法两大类【5 1 2 】。 l 、基于结构静力测试的损伤检测法 基于结构静力测试的损伤检测法使用结构静力响应的变化来检测结构的损 伤，常用的静力响应参数有：位移、应变、残余力等等，通常用这些参数的残差 来识别损伤。 静力测试简单、直观、便宜、具有较高的精度和稳定性，因而基于结构静力 测试的损伤识别法获得了很多学者的关注，b a n a n 13 1 国内的蒋华【1 4 1 、崔飞【1 5 ，18 1 、 向天宇f 16 1 、宋一凡【1 7 】等都在这方面做了大量的工作并取得了不少成果。研究结果 表明，只要测点布置合理、加载工况全面，基于结构静力响应的参数识别结果可 以检测损伤并具有足够的精度。 同时，基于结构静力测试的损伤检测法也有很大的局限性，在某种载荷作用 下，对结构刚度贡献很小的构件，或者变形几乎未受影响的结构，获得理想的识 别结果几乎不可能。而实际检测的时候所采取的工况是有限的，另外，大型复杂 工程结构的静力加载往往很困难，而且影响结构的正常使用，无法做到结构健康 状况的实时监测，还可能对结构造成新的损伤。 2 、基于结构动力特性的损伤检测法 ： 损伤会使得结构的动力学特性发生改变，导致固有频率、刚度、阻尼、模态 振型等结构参数发生改变，将这些参数与结构损伤建立起某种联系，并监测这些 量的变化，就能实现损伤的检测，从而评估结构的健康状况。固有频率、阻尼、 模态振型等结构参数也因此被称为损伤检测的动力学指纹【1 】或者损伤指标。 由于结构的动力学特性只与其本身的固有性质有关，反映了结构的整体状况， 因此，与其他无损检测方法相比，基于结构动力特性的损伤检测法具有全局损伤 诊断的能力。同时，可以充分利用环境激励，不影响结构正常营运，传感器易于 安放，可实现长期实时监测，具有经济、安全、有效的特点，越来越受到学者的 重视，是目前得到普遍认同的一种有前途的损伤检测方法。 目前，常用的损伤指标有固有频率、模念振型、模态曲率、模态柔度、模态 应变能、应变模态等。不同的指标对不同类型损伤的敏感程度不同【1 9 】。 ( 1 ) 固有频率与阻尼比 一般情况下，损伤的存在会使结构的固有频率降低而阻尼比升高，尤其是一 阶模态表现明显，通过测量固有频率、阻尼比的变化即可判断结构的损伤，其中 基于戍变模态的结构损伤检测方法研究 固有频率易测量、可靠性高，最早被应用于结构的损伤检测【2 0 之4 1 。基于阻尼比的 损伤检测也有学者做了不少研究【2 5 。2 7 】。 但是无论是固有频率还是阻尼比，在损伤检测的应用中都受到了很大的限制， 主要原因是：固有频率、阻尼比的变化对结构局部损伤不敏感：无法确定损伤的 位置，有时候不同位置的损伤会造成差不多的参数变化：某些情况下，结构损伤 后的高阶固有频率不是降低而是升高，无法给出一个稳定的指标；阻尼比的数值 在现场实验中往往很难精确测定【2 8 】；需要结构损伤前的模态参数作为对照。 ( 2 ) 应变模态 利用结构的整体模态参数来检测结构，只能判断结构有无损伤，损伤位置及 程度无法精确测定，因此出现了基于振型变化的损伤识别技术，振型包含了位置 信息，可用来进行损伤定位。 应变模态即为应变的振型，如果结构出现损伤，则损伤处的刚度就会降低， 而应变的变化增大。相对于位移类损伤指标，应变类损伤指标对局部损伤较为敏 感。而且应变计价格便宜，可大量使用，其安装引起的附加质量、附加刚度都很 小。因此，基于应变模态的结构损伤检测技术具有广阔的应用前景。 应变模态的研究始于2 0 世纪8 0 年代，国内外学者将模态方法引入应力、应 变场中，取得了不少成果【2 9 ，3 0 1 。近年来，应变模态理论获得了较大的发展，日趋 完掣3 1 】：1 9 7 9 年日本学者村井等在位移响应计算式中引入位移应变转换式，预 测应变响应【3 2 1 。1 9 8 4 年，英国学者h i l l a r y 和e w i n s 应用电阻应变计测量了力应 变传递函数，并应用于激振力的识别，提出应变模态的概念【3 ”。c h s t a k e r 在 1 9 8 5 年直接应用应变传递函数进行疲劳寿命估计【3 4 1 。我国学者伊立言曾用应变计 测量了矩形平板的频率、阻尼和位移振型【3 5 1 ，并在位移传递函数的基础上，提出 应变模态的概念。此外，中美学者曾合作应用时域法分析梁的应变模态【3 6 1 。至此， 应变模态的概念已明确提出，但还没有给出应变模态参数的明确定义和识别方法。 1 9 8 8 年，李德葆、夏苏等人【2 9 】推导了应变频响函数矩阵的表达式。1 9 8 9 年 李德葆等【3 7 1 、b e m a s c o n i 等【3 8 1 及1 9 9 6 年l h y a m 等【9 】运用位移模态微分运算方 法推导和论述了应变模态理论。1 9 9 0 年w f t s a n g 4 0 1 、1 9 9 1 年李德葆、张元润 和罗京等【4 l 】采用有限元格式推导了与位移模态类似的应变模态方程，并采用计算 仿真和测试实验进行了比较验证。1 9 9 6 年，李德葆等【2 9 3 0 】论证了应变模态具有正 交性的性质。 与此同时，基于应变模态分析的损伤检测方法也获得了一定的发展【4 2 5 0 1 ，并 丌始应用于汽车、内燃机、航空航天飞行器等领域中的机械工程、设备或机构、 零部件方面的故障诊断。目前，对应变模念法用于大型结构如桥梁等的损伤检测 还只是处于尝试阶段，更多的只是在理论上进行了论证，主要原因在于受到了应 变测试手段的制约。 硕_ f j 学位论文 根据圣维南原理，损伤对应变场的影响具有局部性，应变片距离损伤区域稍 远一些，就无法捕捉到损伤引起的应力集中现象，而大型结构跨度很大，如果没 有对损伤的先验性认识，仅通过应变测量的方法来搜索局部损伤是很困难的。 电阻式应变片易受电磁干扰，而且漂移现象较为明显，这些都不利于长期检 测的可靠性。 ( 3 ) 曲率模态 根据应变是位移一阶导数的关系，可以利用位移来间接测量应变，避免了使 用电阻式应变片的局限性。 根据梁的理论，若是能测量一系列等距测点的挠度，便能计算曲率半径，从 而评估梁的抗弯刚度的变化，或者评估由梁上拉杆( 拉索) 张力变化引起的弯矩 变化。 a k p a n d e y 和mb i s w a s 据此原理【5 1 1 提出曲率模态的概念，并假定损伤造成 梁局部弹性模量e 的变化，对曲率模态方法进行了数值仿真，得出由曲率模态方 法检测结构损伤远比位移模态有效的结论。其他学者也得到了类似的结论【5 2 。5 4 1 。 这种评估桥梁结构损伤的方法有诱人的前景。在当前技术条件下也有实现的 可能，是一种值得研究的技术。 ( 4 ) 小波参数 小波分析的优点在于利用一个可以伸缩和平移的视窗能够聚焦到信号的任意 细节进行时频域分析，提供多个水平的细节以及对原始信号多尺度的近似，既可 看到信号的全貌，又可分析信号的细节，并且可以保留数据的瞬时特性。 在激励的作用下，损伤结构的应变模态等指标会呈现某种奇异性，这种奇异 性可以通过对相应数据进行小波分析后的细节突变上检验出来，这些突变的位置 可以精确的指示损伤的位置及程度【5 5 。5 9 】。 此外，还有基于转角模态【6 0 1 、频响函数1 啦! 、模态置信因子【6 3 1 、刚度改变【6 4 1 、 柔度矩阵【6 5 6 8 】、模态应变能【6 9 m 】等等各种指标的损伤检测方法，在不同的场合都 有一定的应用价值。 1 2 2 2 模型修正与系统识别法 模型修正与系统识别法的基本思路是建立结构的有限元仿真模型，并把结构 动力响应的测试数据与数值仿真模型的计算结果进行综合对比，不断修正模型， 得到一个较为精确的有限元仿真模型【7 3 1 。然后以此为标准，通过检测结构的刚度 变化来判定损伤的位置和程度【3 ，6 ，i i , 7 3 啪】。 随着计算机仿真技术和振动测试、分析技术的进步，模型修正与系统识别方 法也获得了一定的发展。 1 2 2 3 无模型识别法 基于麻变模态的结构损伤榆测方法研究 无模型的损伤识别法不使用结构模型，只从结构的试验数据入手，进行结构 的损伤识别。就如同有经验的检测人员可以通过观察结构的表面来发现损伤而并 不需要知道结构的具体构成一样，只不过输入量不仅可以是结构的外观信息，更 多的是某种动力响应参数。 无模型的损伤识别法是一种人工智能的识别方法，主要包括神经网络法、专 家系统法、遗传算法等。 l 、神经网络法 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是将若干相同的人工神经元按一定方 式连接所形成的一种复杂网络。它不需要人为给定网络的内部结构参数，仅需通 过必要的样本学习，网络就能以一组权值的形式达到稳定状态。这一组权值连同 神经网络本身被称为“机器知识 。利用这种“机器知识 ，不必了解研究对象输 入与输出参数之间的变化规律，就可以根据输入参数来预测输出参数。而且，更 可贵的是神经网络还会不断地进行知识更新和自我完善，最后逐步建立起一个理 想的映射模型，来完成复杂的信息处理功能。 神经网络对损伤的识别过程本质上更接近人脑的认知过程，能够较好地表达 训练样本所反应的决策条件，具有较强的分类能力，可以在数据量大，信息不完 备以及存在噪音干扰的情况下取得传统方法难以得到的效果。 神经网络损伤识别法的基本思想是：利用数值仿真或者实测方法获取结构特 征参数( 如频率、振型等) 作为训练样本的输入参数，以结构的损伤作为输出参 数，利用神经网络的自组织、自学习和自适应能力，通过一定数量的学习，神经 网络会直接将系统的映射关系以权值的方式保存下来，从而记住这些知识，并实 现从输入参数( 如结构模态矢量等) 到输出参数( 如结构损伤位置、程度等) 之 间的非线性映射，进而实现损伤检测。训练后的神经网络不依赖于结构模型，具 有模式分类功能，将待测的结构的特征参数输入网络，就能直接得出损伤状况信 息。神经网络处理非线性问题的手段非常适合于非线性很强的混凝土结构的损伤 识别，在结构损伤识别领域得到了青睐【7 7 斟】。 2 、遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一类借鉴生物进化规律( 适者生存，优胜 劣汰，遗传机制) 演化而来的随机化搜索方法，由美国的j h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年首先提出。其主要特点是直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性 的限制；具有内在的隐并行性和更好的全局寻优能力；采用概率化的寻优方法， 能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应地调整搜索方向，不需要确定的规则。 不少学者将遗传算法引入损伤评估的最优化方法中【8 5 墙引，在测试数据不多的 情况下，也能迅速判定损伤的位置和程度，即使模念信息部分丢失，遗传算法的 寻优能力也几乎不受影响。 专家系统的内部存有大量的专家知识和经验，并具有学习、联想、推理、模 糊识别和判断的能力，对于未曾遇见过的新损伤类型，也能实现识别【盯】。 1 3 本文主要研究内容 本文的研究课题是导师傅衣铭教授主持的福建省交通厅科技发展项目“大型 桥梁结构的损伤识别技术与疲劳仿真破坏研究中的部分工作，主要内容有： l 、综合了应变模态理论的研究成果，设计了一套全新的测试数据分析方法。 首先通过快速傅里叶变换处理各个测点的应变时程数据，得到各个测点的幅频曲 线；然后根据结构有限元仿真的结果，得到结构各阶固有频率的大致范围，并据 此将整个频率域划分为不同的频率区段；编制程序搜索每个频率区段，得到所测 结构的各阶真实频率及其振幅；最后通过三次样条插值得到对应于结构各阶固有 频率的应变模态振型。 2 、由于电测法测得的应变时程信号中包含了电磁干扰，有时干扰还很大。为 了过滤电磁噪声，尽可能准确地获得机械振动信号，本文采用了基于小波理论的 一些新的信号分析方法。小波分析具有适用于非稳定信号、具有多分辨率分析等 特点，是信号处理的理想工具。 3 、无论是测试方案的确定还是测试数据的处理，都需要大致掌握结构的动力 学特性。为此，本文基于大型通用有限元分析软件a n s y s 与a b a q u s ，进行了 大量的结构数值仿真，为结构的损伤检测提供了理论依据。 4 、基于应变模态法的理论分析表明，结构的应变模态曲线会在损伤处发生突 变，因此通过考察结构的各阶应变模态曲线，即可进行损伤定位。但是当所测结 构的几何尺寸很大而动态应变仪的通道数相对不足时，仍难以准确进行损伤定位。 为此本文采用二次测试法，较好地解决了定位难题。试验证明，二次测试方法可 以实现结构的损伤检测。 5 、除了理论分析，本文还尝试进行了结构损伤检测的试验研究。首先设计、 制作了本构关系简单、支撑条件明确的金属梁，便于对比，一共制作了两根完全 相同的金属梁，并在其中一根上预制了裂缝。然后利用应变模态法成功实现了损 伤的定位。通过对金属梁的损伤检测试验与数据分析可以看出，金属梁各阶自由 振动的模态振型，有的对损伤较为敏感，有的则不敏感，因此，需要激励起结构 的多阶模态。只要能激励起结构的多阶模念，并不需要知道激励力的大小与变化 规律，即可通过应变模态法定位结构的损伤位置。并且，在结构损伤检测的过程 中，也不需要知道未损伤结构的应变模态数据。通过预制裂纹金属梁的检测试验， 基干戍变模态的结构损伤榆测方法研究 一方面验证了运用应变模态法进行结构损伤检测的可行性，同时也为后继大型复 杂结构的损伤检测积累了经验。 6 、本文设计、制作了钢筋混凝土箱梁，并在其上预制了缺陷。通过对试验箱 梁的动态检测，实现了损伤位置的定位，为应变模态法应用于桥梁等大型钢筋混 凝土结构的损伤检测积累了经验。比起金属梁，钢筋混凝土箱梁的损伤检测要困 难很多。首先，动态应变采集过程中的电磁噪声干扰更大，因此，要有较好的降 噪、滤波方案；其次，由于不同阶数的应变模态曲线，对于不同类型损伤的敏感 程度差别很大，故激励频率的选择必须建立在较准确的有限元仿真的基础上，这 对于损伤的类型及其空间定位未知的情况下，是非常困难的，若是作动器能提供 一个较宽频段的随机荷载激励，则对于损伤的检测更为有利；另外，由于钢筋混 凝土结构的尺寸都比较大，往往需要进行二次测试才可能定位损伤的位置。 7 、本文利用应变模态损伤检测法，对厦门市石鼓山立交桥的动态应变测试数 据进行了处理，评估了该桥梁的服役状态，为有关部门列该桥梁进行质量评估和 维护提供了依据。 1 4 本文的主要创新性工作 本文总结了应变模态法的研究进展，对结构损伤检测的试验方法进行了研究， 从数值仿真、试验方法、试验数据处理等方面丰富和发展了结构损伤检测理论， 主要的创新性工作如下： 1 、设计了一套全新的数据分析方法来处理测试数据，在理论上丰富了基于应 变模态的损伤检测方法。 2 、进行了结构损伤检测的试验研究，总结了一整套切实可行的结构损伤检测 方法，验证了运用应变模态法进行结构损伤检测的可行性，为大型复杂结构的损 伤检测积累了经验。 3 、首次将基于应变模态的损伤检测法，应用于现役桥梁的健康状况评估，为 有关部门对该桥梁进行质量评估和维护提供了依据。 硕卜学位论文 第2 章相关理论 本章就应变模态法进行损伤检测以及测试数据处理过程中所涉及到的相关理 论进行简单的介绍。主要涉及：损伤检测所基于的基本损伤理论【8 8 母1 1 、结构的模 态分析理论【嘲，数据分析过程中用到的信号处理理论1 9 3 1 ，还给出了应变模态法的 基本理论介绍。 2 1 损伤理论基础 2 1 1 损伤的概念及其度量 材料在制造和加工过程中以及在各种外部因素( 荷载、温度、腐蚀等) 的作 用下，将不可避免地产生损伤( 如微裂纹、微孔洞等) ，而损伤的不断萌生和扩展 将导致材料的力学性能下降。材料的损伤破坏可以分为两种类型：一是由于微裂 纹的孕育、扩展和汇合形成宏观裂纹而导致的脆性损伤破坏过程；二是由于空洞 形核、长大和空洞群汇合而导致的韧性损伤破坏过程。 损伤力学【9 5 】研究在各种荷载条件下材料或结构中的损伤随着变形而发展并 最终导致破坏的规律，主要包括建立受损材料的本构关系和损伤演化方程，计算 材料或结构的损伤程度，从而达到预估材料或结构的剩余寿命，解释其破坏机理 的目的。损伤力学的研究方法大致可分为：金属物理学方法，唯象方法，统计方 法和宏、细、微观分析相结合的方法。目前，被广泛采用的是连续介质力学的唯 象方法，即以材料的表观现象为依据，将物体内存在的损伤理解为与应力场、应 变场及温度场相类似的连续场变量，在连续介质力学的框架下将损伤对材料或结 构力学性能的影响作出系统的分析，由此形成了连续介质损伤力学。 损伤的概念是由k a c h a n o v 最先提出来的【9 4 】，此后，众多的损伤模型都在不 同程度上借鉴了k a c h a n o v 的理论。在对材料内部的损伤状态及其发展，以及损 伤对材料力学性能的影响进行描述时，需要引入损伤变量。由于损伤将引起材料 微观结构和某些宏观物理性能的变化，因此，根据研究对象和损伤模型的不同， 可以从微观和宏观两方面用不同的基准量来定义损伤变量。从微观方面，可以选 用空隙的数目、长度、面积、体积、形状和排列方式等；从宏观方面，可以选用 弹性常数、屈服应力、拉伸强度、延伸率、密度、电阻、超声波速和声发射等。 不同的损伤过程，可以选取不同的损伤变量，即使同一损伤过程，也可以选取不 同的损伤变量。从力学意义上来说，损伤变量的选取应考虑到如何与宏观力学量 建立联系并易于测量。通常采用空隙的数目、损伤面积和弹性常数的变化等，来 基于应变模态的结构损伤检测方法研究 定义损伤变量。 考虑物体内的某一截面s ，在截面内任取一代表性单元，其单位法线矢量为 刀，如图2 1 所示。设a 为该单元无损伤时的初始表观横截面积，由于损伤的作 用，使截面内的部分区域出现了缺陷，其缺陷面积为彳。，若记截面损伤后的有效 承载面积为才，则有： a = a 一彳。 ( 2 1 ) 图2 1 损伤代表单元 定义损伤变量d 为： d ：掣 ( 2 2 ) 以 显然，损伤变量的取值范围为0 d l ，其中，d = 0 表示无损伤状态，d = l 表示损伤破坏状态，而实际上，材料或结构往往在d ( 2 6 3 ) 式中的【少】即为应变模态矩阵。 2 3 2 应变传递函数矩阵 根据( 2 6 3 ) 式及传递函数的概念，可以定义力正应变传递函数矩阵：