（工程力学专业论文）结构损伤识别静动结合法研究.pdf

摘蘩 摘要 内予交通避输事韭的发展，鼗瓣已修建了走最艄桥梁，楼值褥注意的是，髓游 时间的摊移，桥桨损伤的数量和程度都会增加。对于些重簧桥梁，随薏运营叫阅 韵增长，箕强瘦、尉蠹薄性栽必然下降，嘏耩的实鞣承鬟能力是再鞴是需簦，撅建 桥粱的质量是衙达到设计标准，诸如此娄的问趣使得桥梁结构的损伤榆溅变符至关 重要。 奉文在现暂的研究躐攥基础息，探讨了静一动绪台方法嗣予结构损伤识别的理 论基础及可行性。出试验测得的嚣参数之数据，统计网归出静、动力参数目的关系+ 力求褥到静力雾数为困簧盈，动卷参数为巍变量豹溺数荧幕，簸瓶窭璎由动力试嚣 得出结构的静刚度，“明确结构的实际状态，简而吉之，阻动测静，以刚度求承栽 力，使捡测技术在整体分析基稿土捌定摄伤程度，阁矮经济的投a 取得最肖致躺缔 果， 根据四片板粱棋墅从完整到破坏不褥裤载等级作用下宣内静、动力试验结果， 并翡台桥粱结构动力学理论，应墙非线性醐翔方法，建立窿板粱静、动料g 麓的爨验 关系式，进而可以根据得到的经验公式来评估铜筋滟凝十单槊的结构性能。本文的 磅变为钢筋漉凝模型粱桥承载镌力懿评定打fr 藏戳，也为令疆辑粱骥载憨力的 快逛稳测方法的发展提供了理论段试验依据。 关键词：静、动刚度：钢筋龌凝七粱；基频；嘲归分折 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o ne m e r p f i s e 。l a r g en u m b e r so fb r i d g e s h a v eb e e nb u i l t w h i l ew h a ti sw o r t hn o t i c i n gi st h em c r e a s m go f 出en u m b e ra n de x t e n d o fb f d g ed a m a g e 。f o rs 翻婶濂l p o 撼tb r i d g e s ；a k m g 姒氇t h e yw o r km o l x ：t 确，t h e i r s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sl n u s td o c r e a w s ot h ed a m a g ed t i o no fb r i d g es t r u c t u r e b e c o m e sm u c h 搋o f bi 出矗积b e c a u 驿o fa 韭t h ep 糟b l e m st h a t w h e t b e te h e l o a d - c a r r y i n ge a p a c i t y o f o l d 堍i d g 啪伽雌s a i 蝗玲t h e n e e d s 艇4 d w h e t h e r t h e q u a l i t y o f f f 摊 n e wb r i d g e sc a l lb eu pt os c r a t c h b a s e do nt h e 腩4 曲p e s 瓣盘e 擎趣紧材i sm a i n l yf o c u s e do nt h et h e e t c t i c a , lb a s i s # 瞄 f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o do fs t a t i c sa n dd y n a m i c sc o m b i n e df o rs t r u c t u r a ld a m a g e d e t e c t i o n 。耵* r e l a t i o no fs t & t i ci m r m l l t , t e r sa n dd y a m m i cp 丑珏a r a e t e r sw i l lk g o tt h e mb e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。a n dw h a tt h ea i mi st oa t r a i nt h ef u n c t i o nw h o s ed e p e n d e n t v a r i a b l ei ss t a t i cp a r a m e t e r sa n di l r t o p e f k l e t l tv a r i a b l ei sd y n a m i cp a r a m e t e r s t h e nt h e s t a t i cs t i f f n e s so fs t m g t a 嚣掘nk a t t a i n 醴b yd y 毽a r a i ct e s t a n dt h er e a lm a t eo fs t 瑚。钒豫 c a nb ck n o w n i ns l l o r t w ec a ng e t8 船n cd a t af r o md y n a m i ct e s ta n d8 0d ob e a t i n g c a p a e i t yf r o ms t i f l h e s s 。s t r u c t u r a ld a m a g ed e g r e ec 摊lb ek d o w nf r o md e t e c t i c a lb a s e do h t h eg a la n a l y s i sa n dt h em o s tv a l i dr e s u l to r a lb eg a i n e dw k ht h ei o a s ti n p u t 。 a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw h i c hm o b t a i n e db yd i l a p i d a t e dd y n a m i c t e s t 埘lf o u rm o d 蒯d e c kb e a m 在锄抽妇髓蘸蹴t od e s t r o y e ds t a t e c o m b i n e dw i t ht h e d y n a m i ct h e o r yo l lb r i d g es t n l c t u r e s ，t h ee x p e r i m e n t a lf o r m u l ab e t w e e nt h es t a t i c s t i f f i m s sa n dd y n a m i cs t i f f n e s si sf o u n d e d 姆n o a - l m e a rr e g r e s s i o nm e t h o d ，f a r t h e r m o 坤w ee me v ；f l a a mt h eg n l c t u r a lc a p a b i l i t yo fs i n g l er e i n f o r c e de o n c r 脚h e a mw i t h t h ef o r m u 扭m e n t i 瓣e db c , f o l e 1 麓e 黜e a r c hw o r kh a se g t a b l i s h e dt i mf o u n d a t i o no f 船辩s 蜘曲to ns t m c t o m i c a p a c i t yo fm o d e lb r i d g e sa n d i th a sp r o v i d e dt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s e sf o rt h e d e v e l o p m e n t o f t h e q u i c k - m s l m c t i n g n m t h o d a a b r i d g e s u l t h n a t e c a r r y i n g c a p a c i t y k e y w o r d s ：s t a t i c s t i f f n e s sa n dd y n a m i cs d f a e s s ；r e m f o r c o t r t c r e t eb c a i n f u n d m n e n 抽lf i , e q u e n c y ；r e g r e s s i o na n a l y s i s 珏 重庆交通学院学位论文原剁性声明 重庆交通学院学位论文原创憔声明 本人郑煎声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作蘼酸得的成果。陈支中已经注明； 用豹内容癸，本论文不包砉任婀其魅十人 或巢体已经篾表或撰写过的作晶成果对奉立的研究做出煎要贡献的4 人和集体， 均汪在文中瞅睚确方式橱鹾。本人完全意识至4 零声明的法樟结果是本a 承担。 学位谶文作者躲工前 目期：伽，年；月z - - t 耋获交避攀院掌忮论文版权使用授权书 本学垃渔窿捧巷完全了解拳幢商荚馁留、幢用学位论文髀援耀，同意学救嫘整薅 图家膏关韶f 1 或辊梅送交论室的复e f 停和龟子敝，兜许论文嫂鲞鼹耜莒闼。率 攫投囊 捩交通掌院j 以将永擎证谴戈垒搦或瓤凳内褥编入霄芙数糍辫避窜j ：袍囊，噶以采臻攀 印、端印戡翘燃辫餐铡手段保存祁糕编本啦饿论文。 保密强，在年解密爝适用搴授权粥； 本攀t 1 论文n - 7 不镰密蔽 ( 请在以。艇方框内打“”) 学靛论文作者霪名= 工薷 r 麟：钕耐年胄l m f l 指导教姆签名：鼬 l l ， 刚橱：训捧岁月调 1 1 结构损伤识别的意义 第一章绪论 桥梁是供铁路、公路、渠道等跨越河流、山谷或其它障碍并其有承载能力的架 空建筑物。由于交通运输事业的发展，我国已修建了大量的桥梁，值得注意的是这 些桥梁有许多已发生老化、损伤现象，随羞时间的推移，桥梁老化、损伤的数量和 程度都会增加。随着我国现代化建设的需要，许多大型、新颖的桥梁形式不断出现。 虽然桥梁建设发展速度较快，但其设计技术、旄工质量等还不令人满意，给我国的 桥梁增加了新的事故隐患。由于桥梁在使用过程中都有可能出现局部的损伤，这些 局部损伤虽然不会立即导致整个结构的破坏，儇它对整个结构的安全性构成了潜在 的危险。由于应力集中、疲劳等诸多因素的影响会使桥梁局部损伤不断扩展和增大， 导致接个结构的承载力下降，从而导致整个结构的破坏。所以结构损伤不仅会缩短 结构的使用寿命，而且还会威胁到人民生命和财产安全。 近几十年来世界上许多工程结构由于损伤已经发生了倒塌人亡的灾难性事故。 如1 9 8 3 年6 月2 8 日凌晨1 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，桥上的数辆汽车随即坠入江中，造成三人死亡和三人受伤，所幸的 是事故发生在凌晨，如果事故发生在白天，那后果是难以想象的。造成大挢倒塌的 主要原因是大桥的腐蚀和交通循环荷载日l 起的疲劳i 目；1 9 9 4 年美国加州的 n o r t h b r i d g e 和1 9 9 5 年日本神户( k o b e ) 的大地震中，一些建筑物在遭受主震后，并 没有立即倒塌，但结构却已受到了严重的损伤而未能及时发现，在后来的余震中倒 塌了【j j ；在国内，1 9 9 9 年1 月4 日，重庆綦江彩虹桥的突然倒塌；2 0 0 0 年8 月2 7 日发生在台湾省连接高雄与屏东的重要通道上的高屏大桥突然拦腰断裂倒塌是我 国发生的又一起倒桥事故，事故造成交通中断，1 6 辆汽车坠入河中，2 2 人受伤”i 。 以上仅是损伤引起结构倒塌的例子，这些例子表明实际上结构构件常常还存在着内 部缺陷。这些肉眼不可见的潜在缺陷有时更具危险性，常常造成较大的经济损失。 如果这些有缺陷的结构构件能够及时地发现其缺陷并采取措施加以修复和维修，这 些灾难完全是可以避免的。因此，如何能通过一定的检测就可以分析判断结构是否 有缺陷、它们可能在什么位置、有什么样的损伤程度等就成为当前国际上一个研究 热点。 桥梁是交通畅通的咽喉，交通是社会经济命脉，交通不畅会制约社会经济的 发展，所以，保障桥梁的功能性，尤其是安全至关重要。 对于一些重要桥梁，随着使用年限的增长，其强度、刚度等性能必然下降， 第一章绪论 原有的实际承载能力是否满足需要，新建桥梁的质量是否达到设计标准，诸如此类 的问题使得桥梁性能的损伤检测变得更为重要。 桥梁结构的实际工作状况和可靠性只有通过检测才+ 能得到正确的评断仅靠 设计是解决不了这个问题的。进行桥梁安全性检测的目的和目标正是：通过一定的 方式测试结构的实际状态参数，诊断结构的损伤并据此评判结构的实际可靠度水 平，为结构的加固和安全使用决策提供客观依据。因此，对我国现有桥梁结构进行 损伤识别和评估，充分了解桥梁的实际状况，如果能及时发现损伤，并诊断出局部 损伤的位置以及损伤程度，就能使维修人员制定出正确的维修策略，因为不同位置 上的构件容许损伤程度是不同的，结构经过及时修复，不仅可以恢复承载力，延长 使用寿命，为经济可靠地利用现有桥梁提供依据，而且对于避免灾难性事故的发生， 保障人们的生命安全更为重要。所以对桥梁结构开展损伤识别研究，有重要的理论 意义和实用价值。 1 2 结构的损伤识别与定位方法 既有桥梁结构的损伤检测诊断问题在2 0 世纪5 0 年代就已提出。2 0 世纪7 0 年 代，国际经合组织完成了有关桥梁检测、承载能力评估和桥粱养护等研究报告。1 9 8 0 年至1 9 8 2 年分别在巴黎和华盛顿召开了关于旧桥问题的国际讨论会议。2 0 世纪9 0 年代以来，既有桥梁的检测和状态评估问题越来越受到公路管理部门、研究者和工 程师的重视，除了大量的研究文献外，已经出版了若干关于桥梁检测方面的规程和 规范。 结构损伤检测中主要需解决以下问题：结构是否存在损伤；结构损伤 位置的判断：结构损伤的严重程度：结构损伤对结构使用性能的影响，即结 构剩余寿命的预估。 从基于实测物理量的不同可分为静力识别和动力识别及静一动力结合识别三 类。静力识别方法所需数据通过现场静力试验较容易测得，识别效果好，具有较高 的精度和稳定性，但需要人为施加荷载，现场测试工作璧较大，测量时要阻断交通， 无法做到实时监控。动力识别方法利用结构动态参数对损伤的敏感性、对结构的完 整性进行检测和监测，现场工作量小，可傲到实时监控，但由于受环境等因素影响， 对测试仪器及识别方法的精度要求较高，且测试效果不理想，受噪声干扰较大。基 于以上原因，众多研究者尝试采用静一动力结合方法，长安大学1 5 1 几年内做了很多 试验，有很大的进展，并编制了实桥检测程序，但实用性还有待考察，程序办期继 续完善。 根据分析时有无结构模型可分为无模型识别方法和有模型识别方法两类( 图 第一章绪论 1 - 1 ) 。无模型识别方法不使用结构模型，多数方法以频晌函数作为反映振动系统的 动态特征量，并定义损伤识别指标的方法。此外，还有人工神经网络模型、模式识 别等方法。有模型识别方法使用结构的有限元模型进行识别，通过结构动态测量数 据进行模态参数识别确定结构刚度矩阵变化，或直接由结构的响应确定结构刚度矩 阵，此类问题均是参数的估值问题或称逆问题，也称反演问题嘲。 图1 i 桥梁结构损伤识别方法分类 1 21 基于静力测量的结构损伤识别方法 基于静力识别的方法以结构试验为基础，将测得的结构某些部位的反应与模型 分析结果进行综合比较，通过某些约束条件优化，不断地修正模型的刚度参数，使 理论值与试验值达到最大程度的吻合，从而得到结构刚度变化的信息，实现结构的 损伤识别与定位。结构的静态识别技术比较简单，因为静态平衡只与结构的刚度属 性密切相关，同时，结构的静态测试比较简便，花费较低，技术比较先进而成熟。 精确的结构静力反应数据如位移或应变数据可以经济、快速地直接测量，因此在土 木工程领域中静态识别方法受到了广泛的关注。如美国海军土木工程实验室( n c e l ) 制定了有关检测海军现有钢筋混凝土结构完整性的评估规范。根据这本规范， s a n a y e i 和s c a m p o l i 提出了使用有限元分析方法的静态参数识别技术，并利用结构 模型调整的迭代识别程序，进行对单元刚度参数的修改来完成结构损伤识别j 。随 之发展起来的许多其它的静态参数识别方法也是以优化算法作为理论基础。1 9 9 1 年，s a n a y e i 和s c a m p o l i 也以迭代算法为参数识别的基础，提出采用静态测试数据 进行识别的方法，并针对不完备测试自由度情形，推荐使用模型缩聚方法m 。还有 学者使用力误差估计( f e e ) 和位移误差估计( d e e ) 迭代算法去求解最小二乘难题，在 进一步分析中发现：参数初值的选取及其它因素直接导致识别结果的误差h “。为 解决初值选取的难题，1 9 9 7 年，h j e l m s t a d 和s h i n 针对采用静态测试数据进行结构 损伤识别提出了一种合适的识别算法【1 1 1 。根据上述研究发现，采用静态测试数据进 行损伤识别的困难主要源于以下两个方面：( 1 ) 与动态识别方法相比，利用静态 测试数据进行损伤识别的方法可以利用的信息比较少，这对获得真实的识别结果起 一 墨二兰堕堕 ! 到一定的限制作用；( 2 ) 由于荷载旄加路径的限制，可能导致很难发现损伤对结 构产生的影响效应a 例如结构的损伤构件对结构在一定荷载路径下的变形没有或只 有很小的贡献，这种情况就很难被识别。此时结构的静态平衡方程表现出自身“难 懂”的特性，但对此情况，可以通过对荷载传递路径的预先分析和多种加载方式的 优化选择等手段，在一定程度上改善识别效果。 1 2 2 基于动力测量的结构损伤识别方法 随着振动理论及相关学科的发展，人们早已改变了仅仅依靠静力强度理论进 行结构设计的观念，许多结构在外部激励或自身动力作用下处于运动状态，这种运 动其主要成分往往是振动。 动态损伤评估法是近二十年来国内外研究非常活跃的损伤诊断方法，是基于 结构物的刚度、质量以及材料等物理参数与结构动力参数的对应关系上。典型的动 力参数啥断法是将观察到的动力参数改变与基准的参数比较，并选择其中最有_ j 能 的改变来判断结构的真实状况，其损伤评估可大致分为因步：选择振动观测信 号；提取与破损状态有联系的特征量；识别结构有无损伤；识别损伤位 置、性质、程度。以下简单介绍各种基于振动分析的损伤识别方法。 1 基千固有频率变化的损伤识别方法 由于结构固有频率容易测试并且有较高的测量精度，因此成为损伤识别中广泛 应用的模态参数。此方法的基本原理是：固有频率是结构物理参数的函数，结构物 理参数的变化会引起结构固有频率的变化。固有频率与其它的模态性质相比受其它 因素影响较小，具有容易测试且测试糟度高的优点。但是，实践表明该方法在应用 上也有很多的局限性：频率的变化往往只能发现损伤的存在，而无法确定损伤的位 置1 1 ，这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化 ”】。目前，利用结构 固有频率的变化进行损伤识别的方法有很多【1 2 - 1 9 。 文献 1 4 1 利用摄动原理探讨了基于振动模态分析韵结构无损检测技术，并把 固有频率变化平方比应用于压力管道，并注重管道的轴向振动行为，从理论上验证 了该参数的变化是结构损伤程度和位置的函数。认为结构发生损伤时，仅结构的刚 度降低，而忽略结构质量的变化，由振动系统的动力方程推导出结构损伤和结构模 态参数之间的数值联系，其结构损伤程度方程式为 出：= 竺型! i ! 墅2 生芷! ! ! 竺! ! j 妒 m 妒? 第一章绪论 式中：。? 为固有频率变化平方，口。为损伤系数矩阵，。为单元的原始刚度，妒 为正则化振型，。为单元变形，m 为质量矩阵。 式( 1 1 ) 明确地表达了特征值的变化依赖于单元损伤的程度( 口。) 和位置( ) 。 由于结构任意一阶模态的“频率变化平方”均包括了相同的单元损伤程度的信息， 则利用两个振动模态i 和，可以得到i 阶和j 阶频率因损伤而改变的“频率变化平 方比”，显然它是仅与损伤单元的位黉( ) 有关的量，因此得出结构损伤定位方程 为 ( i - 2 ) 式( 1 2 ) 即结构的“频率变化平方比”包含了结构损伤程度和位置的信息，理 论推导表明“频率变化平方比”是仅与结构损伤位置有关的量，故可以用来进行损 伤定位。 文献 1 5 提出：利用特征值( 固有频率的平方) 问题的一阶摄动，可以得到结构 系统矩阵变化与特征值变化之间的关系，继而得到特征值变化与剐度矩阵变化之间 的关系通过一些假设、对振型的归一化归纳出系统特征值对刚度矩阵的灵敏度方 程。根据实测数据对该方程求优化解即可获得结构损伤的程度与位罱。其判定损伤 程度与位置的方程式为 l 既= 巧氟a ， ( 1 3 a ) ，。l 或 d 口= 觑 ( 1 - 3 b ) 其中d 为月p 阶矩阵，其元素d “= 足；谚，a 为n e 个口，组成的未知摄动向量， o f = 口，d ：，o r 。 可以反映结构损伤位鼍和损伤程度：觑为由观，个特征值变化组 成的向量。从式( 1 3 ) 可以求出结构单元刚度矩阵摄动向量d 的优化解。 文献n 5 所提的方法只需结构频率变化( 容易较精确地测量得到) ，而无需振型 值( 难以精确测量) ，同时避免了理论与实测自由度不一致的矛盾。但由于推导中忽 略了结构模态特性和系统矩阵二阶以上的摄动量，因此该方法只适用于结构微小变 化的场合。 文献【1 6 】提出一种二阶频率灵敏度分析方法，通过测量结构损伤前后频率变化 的损伤参数识别方法来确定结构的损伤位置和损伤程度。对于层间剪切结构模型， 可以测得结构的各阶频率，对于多种工况进行了框架结构模型的振动试验。试验结 果表明，对于层间剪切结构，通过测量结构频率变化可以确定结构的损伤位置和损 伤程度。文献 1 7 1 把结构损伤识别问题分为损伤辨识、损伤定位、损伤程度标定 塑坳 一一衫慨一哆 知一监鲰踹 塑锄 第一章绪论 三个子模块，对每个子模块用模态参数构造对损伤敏感的标识量，并作为特征参数 输入到神经网络中实现损伤识别。将优化的b p 网络和频率相结台成功地实现了矩 形梁的损伤检测，为结构健康监测研究提出一条新的技术途径。实例证实具有众多 优势的模态频率是完全可以用于结构损伤检测的：将结构损伤检测分为损伤识别、 损伤定位、损伤程度标定3 个子模块是台理的；将振动模态分析技术和神经网络技 术相结合实现结构健康检测是行之有效的。 最近，c o n t u r s i 等人提出了一种基于固有频率变化的损伤定位保证准则 f a s s u r a n c ec r i t e r i o n ”) ，它是弹性结构损伤定位的一种新的方法，仅需知道固有频 率，避免了对完备试验模态的要求。他们通过对桁架结构试验证明此方法可以用来 判定多个损伤的准确位置及损伤程度。m o r a s s i 等人利用固有频率变化来确定刚架 结构中的裂痕【l ，重点讨论了目标结构( 未损伤) 模型的精度和进行振动测试的可行 性。 2 基于模态振型变化的损伤识别方法 虽然模态振型的测试精度低于固有频率，但是结构振型包含更多的损伤信息， 模态振型变化的损伤识别方法有咀位移类参数( 位移、位移模态、柔度矩阵等) 和以 应变类参数( 应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法。这些方法均需 要建立结构初始正常状态时的有限元模型作为识别基准，然后用当前结构实测振型 数据修正结构模型，通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别结构的损伤状 况。1 9 9 4 年，s a l a w n 等人提出利用模态振型的变化图形进行结构损伤识别，陔方 法是以振型相对变化擐作为定位参数，即损伤前后掇型的差值与损伤前振型的比 值。当发生破损时，受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会出现 比较大的值。因此，利用振型相对变化图形可以识别损伤的位置”。文献 2 l ，2 2 提出基于结构自振频率和振型的变化并运用有限元方法进行损伤识别。该方法证 明，用未损伤的模态振型乘以损伤时的特征方程能获得更多的方程及更好的损伤定 位。利用a n s y s 有限元程序分析结构表明，该方程组对模态数据更为敏感，但是 比较容易导致方程组解的不稳定。在大部分情况下。应用非负最小二柔方法拟台则 可以得到令人满意的解。在用一简支粱试验模拟中，应用a n s y s 模拟时只模拟结 构的初始( 未损) 状态的参数，其模拟依据是：以实铡自振频率为依据进行修正模型 的弹性模量。在各种不同状态( 未损伤与已损伤) 的模态实测数据与a n s y s 分析的 初始数据比较进行识别损伤位置和程度，结构表明该振型变化方法可以对结构损伤 进行识别位置和评估损伤程度。 利用模态振型建立的指标有模态保证准则( m a c ) 和坐标模念保证准则 ( c o m a c ) 或它们的演变形式“。m a c 利用振型的正交特性比较两个不同振型，在 第一章绻论 模态试验中常阁子检验测鸯模态糯垂舵正交性。文献 2 3 提出了m a c 也指损伤前 后模态禳型的燕联系数，褒实际赢用时，肖m a c 大子0 ，9 时+ 两模怨摄型相关醚； 小予0 炳对，两模态振型无关。, m a c 及c o m a c 均为第一水孚斡糍标，郎判断 结构悬西发生损伤。当用米判别鳐构是蕾发生损伤豺，采用c o m a ce e 采用m a c 所震的测试工母鏊爨要少缮多。r 需要在苦干攮动太翡溅点进行测量，裁可对结鞠的 杖态作出判断。如果用来判断振裂对损伤的敏感程魔，则应当用m a c ， 文献 2 4 1 选用结构拨动横态倦为投擞；提出了一种对结构攒怖前詹的模惑撮塑 变纯螫进行女g 投处理的方法，数值算例谥明剽焉该方法能够对单元损伤寓现有效定 位。 斟究燕理掇壁魏率毪嚣型对壤荡更为敏感，胃戳用来硷测损伤和进行橱悔宠 垃。如果结构出现损伤，别破损晒的月i 度会降低，而髓率便会增太。振型曲率的变 亿琏整睦率的媾大两增大。因此，可以根据擐型接犁佟为定霞磐数。但禳方法的雨 足之处篷需要非常密集豹涮点，以懂使蹋哮 心差分漩求取益睾横恋，前潮将增大柏 率模杰攮型的误蓑。文献 2 5 1 提出曲率模悫搀在理论上进霉亍推导，针对实际i 程结 翰。出于簦翦蓬肉斛涵缺至缝饕鸯羧测童始掏曲辜穗虚的捧感嚣，函此螭梅舫蜜验 曲率模杰振型可以剥用横态振型豹由率进行表达。在结构有限元离散模型的振动模 态势攒书，著窿计算搏刘等闻l 商蔽元离教单元节纛的位穆横杰擞型，捌结构鹪曲 率模拳振型可通过中央差分格式趣似求出 ”= ( 址+ ；一2 峰+ q 。 ) ，胪 ( 1 - 4 ) 其中： 为测点间距；为某阶强型下第f 测点的位移值。 结梅动力检测中，篥馘丽皴曲枣可鞋上壤据差商、微商、差分i 意之问的燕系， 透过鬻测振型柬褥到。警测点为等间距帮援嚣寸，曲率可摆擞蓊与差分拣关系出式 ( l 4 1 计葬；当捌点为非等间距布置时，曲率w 根据微商与差商的燕系由式( 1 5 ) 计嚣。 ，j ：热垫! ! 二生2 = 垡! 垦= 璧t !f 5 1 2 矗甄鼠 箕串： 为测点与测点，一j 骝姆距；岛国测点f 十 与测点j 妁闯耀；鸟为测疼 i4 - l 岛测点i l 的同距。 事察上，惹商、微黼、差分兰者之闯是通过函皴的泰勒( t 哪o r ) 麟开式皋联番 的，稷撵函数寨韵展开式的性质，为裸谜盛戴( 1 4 ) 、式( 1 固求墩的戳圈随辜吴蠢足 够的精度，必须注意振测测点的问距不熊过太。 文献2 6 兜对应变搂惑进行理谊推导，脯理论圭浍证其可辑性，然蜃建立应囊 模态与曲率横态的钧理关系。文献f 2 7 ，2 8 】髓理论土探讨了疵蹙模态蜀混凝绐丰 j 进行攒岱识别的测试擐避和方法。理论上墨数值算侧都说明模惫报型的曲率变化比 第一章绪论 模态摄穗的变化辩敏感。 由予在钡4 试过程中实铡掘型往往是不完燕的。有些攀砻建设直接粟用币完整实 测振型进荦亍结掏豹损伤识裂， e 较典型是鞋灵敏菠移数演为基础憨方法。诫方法璐 结构损伤前后的实测特征值和实测不完整攮趔以及假设结构菜单元受损后引起白 ：i 摄型的瑗论差僮为谖剐参数，建立多处损伤逝像准剜删& 翻至t 雠ed a m a g et , o e # t i o n a s s u r a n c ec t i t e r i c v n ) 公式。根据所测得的谖剐参数，计簿并找出m d l a c 的最大值 的位置米大致确定结构受授佼罡，撙科周选代数值方洼计冀。擞骧损穗度。谖方法 优点是矗接地利掰结梅实渊不竞熬掇挺进彳亍绣擒损伤谈剐；箕映点是计冀量太大， 这是因为每个假设受损单元都要计算出m d l a c 值来；假设受损单元越多( 结构受 损经蟹越多) 其韬。霉m e ) e 囊e 值魏次数也就越大。籀寝的受损糯壤髂选戴数菠诗蒋 也多， 3 基于雕疰变他的攫揍识别方法 利用刚度矩阵的变化遴行损伤识别肖提娄 在研究b “，圈为结构发生较 大的损伤时，其刚度矩阵将发生显著的变化。对于实际的末工程结梅，渺及鲍自 幽度数量殍| ：j 未知参数数目急剧增加，篡难菠和收敛的计算要求也芷艮着增加，而实际 的情况楚，结构竹损伤可能只发生在结构的局部部位，蝻构的戈部分部使没有出琥 损伤，大都分结榴肇元的刚度基本没膏改变。魏瓣采用于结构攒伤识别方法对大型 复杂结构幕统的捐伤检测和状巷评估艇种有效的方法。在模型修正方法幽，通常 做法是修正选定予结构瓣剃凄惨蟊三蒙数嚣甭怒单个结构梅件，其强的是减少要修限 削度参数的数量，使得病态和非惟一性像持在可阻接受钧程度。 文献 3 0 1 提出几种利用绪掏局部摊4 度变地说别的理谵方注t 并且蛤堪了解决鬟 测蠹出发再足的实测摄型扩阶与理论横型缩减两群方法。在自窿变证方法努为基于 频率敏感性分析簿法和矩阵优化修正方法。 4 蒸予鬃痊变他的损伤蠛粥方法 模态试验由予测试误差的影响，往往只能准确地获襁前几阶摸杰参数两且对 亍复杂多自由度蓑统，涮试自由度投犍远枣子结构本鸯的鸯出淡，使掼伤螭鄹糟艘 受l f 影响。利用黎度变忧的攒伤识别法进行损伤识剐，在获得相同的试验樾淼参数 条伟下眈e 9 度法筵为精确，因而褥谗多学者的关注d ；- a 4 1 。这是因为，在横态满足 归一悦酌袈悼下，模怒参数对柔度矩阵的贡献与自箍颧寨的平方成度眈。幽棰惫势 析可知，结构的刚度矩阵与柔度矩陴用模悫参数表达为1 孙m c 和枘一嘻扣彩 ( 1 - 6 ) 第一章绪论 式中：k 为结构刚度矩阵，f 为结构柔度矩阵，肘为结构的质量矩阵，为归一 化振型，缸为的i 阶固有频率。 从式( 1 6 ) 可以看出：随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略 不计，这样只要测量前几个低阶模态参数和频率，就可以获得精度较好的矩阵。根 据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的位最。柔度变化的损伤识别方法相对于刚 度变化的损伤识别方法对结构损伤是比较敏感的，但是由于忽略高阶模态参数的影 响，无法避免地存在着误差。 利用模态参数进行结构损伤识别，通常都需要用到结构损伤前的模态信息，这 在实际工程中常常是难以做到的，因此，没有原始结构的模态参数的损伤识别技术 就显得尤其重要。而从目前发表的文章看，仅仅用损伤结构的模态参数进行损伤识 别的极少。近年来，一些研究者利用模态柔度的改变量对结构进行损伤识别，指出 模态柔度比固有频率或振型对局部损伤更敏感，可以更好地识别结构损伤。虽然利 用模态柔度进行结构损伤识别具有较高的灵敏度，但是还是要用到损伤前的结构模 态参数，不利于实际应用。而文献【3 4 】提出利用损伤结构模态柔度的曲率对损伤位 置进行识别既有高的灵敏度又避免了使用原始结构的模态参数。柔度曲率损伤识 别法是直接利用损伤结构的柔度矩阵进行损伤识别的。由于柔度在结构的损伤点附 近的改变量较大，而这个改变量通过一阶导数和二阶导数的作用，将会变得更为明 显，因此对实测损伤结构的柔度矩阵取出每列中的最大值，并利用差分对其求 阶和二阶导数得出斜率和曲率，然后绘出斜率和曲率随单元号的变化馥线图，就能 直接得出损伤位置得所在。利用柔度曲率法，只需损伤结构的模态参数就可以识别 结构的损伤位置，而且仅需要低阶模态信息即可获得很好的识别精度，同时，该力 法具有计算量小和简便易行的优点，其缺点是无法评估结构的损伤程度。 5 基于剩余模态力分析的损伤识别方法 利用在结构上测试的模态数据对结构进行损伤识别，需要已知结构的基线模态 数据( 频率和模态向量) 。基线模态数据是指正常r 来受损伤) 结构的模态数据，由于 受到各种条件的限制，它不可能完全通过测试的手段来确定，需要借助于结构的有 限元数值分析。为了使结构分析的有限元数值模型能真实地反映结构的动态特性， 应根据在结构上测试出的部分模态数据加以修正。其修正方法主要有最优矩阵修正 法、灵敏度分析修正法和特征结构分配技术修正法三种方法。基于剩余模态力分析 的损伤识别方法就是先建立有限元分析模型，利用实测模态数据加以修正，利用在 结构受损区上测试出的特征值( 固有频率的平方) 和响应的测试模态，代入修征好的 未受损结构模型特征值问题方程式，如下式所示” 一 墨二量堕熊 坦 r = ( k 丸m “( j 。7 ) 式中# k 鸯未损伤结橱的剐度缒阵，m 鸯来按伤结褥的质量簸阵，置。淘路稳受援 后第# 阶特征值，九避络糯受损后第f 阶特锈向最即攥志振型， 从式l - 6 ) 中可以番出如果受损伤蠕构的模态数据( 气，九) 和未漫损伤结构 的攘卷数据( ，蟊) 基线模惫) 相游，则靛。一o ；毽幽 二藉擒鼹损伤焉，上述两缀 楗巷数据不会相等，因此当铺构发生损伤时，丑，0 。将丑逝义为结构第i 个剩余 模态力，结构受竣伤区应处于较大最擅焉对应黼区域。墨此可跬襁据式1 乃鲍盈， 零埴的位置判断出相麻的受损的傻嚣。立献 3 6 ，3 7 】也提出携类似的鳍均搦伤定键 算法。 对结构损伤程凌谱估，文献1 3 5 采磁结构试验数据串樽出受掼区靛模志参数 变化与结构有艇元模型分析模态参数的最敏壤进行b b 较，以此来评懦结构受损惴的 程度。在摄褒程凄豹评信过程中币仅考虑了系镜质囊的变毒匕对横怒兹影噙，两照还 考虑了网有频率和横志向最的摄动，并h 计a r 结构参数不确定性及测量误差，考 虑豹因素较为叠嚣。文献3 6 ：l 首先寻找结构受损伤影响蛇叁出发，然詹在误差蜓降 耗数极小化方法的基础上，提出运用修j e 矩髀酌反复选 弋优纯，诩鄹鳍鞫的损牺稳 度。文献p t 利婵 剩意模卷力分析方法确定结构豹损伤位骨，剁甩低阶艇杰作为状 态变餐，出最d 、- - - - 乘法建立目标豳鼗，通避非线性迭戴得裂嬉梅摄伤程凌靛识甜缱。 6 基于能量娄化的损伤识别方法 簌截用雒最变钝进季亍结构援错设剐串，鸯于对麓蠡的袭遮方式葶潮。围雨确援 多方法f 3 8 , 4 1 。文献 3 8 1 撼出了利用模态应变能( v l o d a js t r a i ne n e r g y ) 变化对结构进行 损馋谈刮。其横态应变虢袭达式患 m s e 。= 痧。k ， ( ：“8 ) 或中：女i 鼢；为第f 黔撼塑鳓第歹个单元的痰变艘，藏为筹? 狳援型，冀，为第，兮攀 元的目度。 遇过式( 1 8 0 嘲鞋诗冀出结构辑伤懿蘑横卷应燮能埘妁变化筐，出m s e ，值 迸行损伤定位离评铬损伤程度。 文献【3 9 】提出利增宙商噪声影响的不完全实铡模态数据求单元的能餐磷 ( e 1 e m e m 8 1e n e r g yq u o t i e r a ) 遘嚣搬鄹出嫱梅拯惯的方法。奠谈判避程分兰步：1 ) 对 实测模态振型扩阶；2 ) 利用单元能量商e e q u 的改燮蕈进行损伤定位；3 ) n 用横悉 鞭率餐他损伤的程度。室献蜩】舟缨了# 壁幢递比( e 髓b 法，把e t r 馋舞损伤说剐 的定位参数。姐文献f 4 0 可咀得出e t r 注商很多优点：1 ) 在授伤区域或靠近损伤区 域时，e t r 盼值比较大，而远离嚣域时，e l n r 变化币大；2 ) e t r 对捎侪的敏感狸 第一章绪论 凄远远超过鞠有频率、阻尼比对按协的敏感程度，e t r 法不仅能判颧损伤的存崔， 而且能识别损伤的位置：3 ) e t r 法币精攥有限元模型可以用于在拽损伤检测。慨 e t r 法的不足之处有：一是没有考虑噪声的影响，二是假定系统仅有少量儿阶模态， 在这个假定的基础上，仅测量自目三虢摸森，其余模态被截断，由此产生了舍去误麓。 文教 4 1 3 萋予随变模卷的王黪，铡簏应变模态谖剐镄翻的壤型和频率结果，掇 出广义癌囊姥穗( g e n e r a l i z e ds t r a i r le n e r g yd e n s i t y ) 鹳髓意。姆冀毯用于结擒损魉翩 诎别中，舆有识刹效果明显、物理濑义满晰的优点，g s e d 方渡币仪可以判断损侮 的存在与否而且可以对损伤进蟹较精确的定位，在测试数据充分的情况下还可塔 丈致判断出搠惭的程度。作者酋先从理论上推导了用应变模态摇型 赋( i = 1 , 2 w 3 一，) 柬裹选应变模悫纳传递函数月x o ) ，由科& 鳓袭达式说明寅黼测 试， l 座变攘巷磷翱韵酊行性，褒褥要应变模态的鞭型之菇+ 谯魏蕊础上定义揖为结 构筹i 缝淼鲍广毙瘟变眈i 鼹( g s e d ) 卵接击獬，2 ( 1 哪 式中：甜为第，骱崩有频率，五为绺构的弹性模量。 如果结构是宪好靛，则广义应褒魄能的趋势和理想的搬型趋势棱近。如粟结橇 商了攫伤。l 在攮伤截面及墓黼嬷，出予抗弯剐度藏少了，鞠皮熟广义应变比麓怒 鐾增丈。囊慕缝芦的蓬突然增大辩，帮可认为此处巽有臻伤。虞的粳大德妊，珂 认为是提伤部位。 如果结构从完整时定期的进行橼测，则可以定义广义应变比能比值 n 。等 m 哪 式中：霹两臻髑罱鹪广义瑾变比艇，穿为完整雕的广义鹿变嶷能。 如巢结构兜好鄢么鸯构谴j 壶诚在l 附近，结椅损伤时阍样也可班通过选取砖 的极大俊处，讽为其为损伤的音口位。 从能盘的角度出发，可以认黝岛= 群一【日) 4 ( 斟) 。t 菇中( f ，) “为捐伤后 的截面抗弯刚度( 蚴”为完整时麴抗弯剐攫。历戳可以从髓的盔他中来火致判断 出截蔼损伤的程度。透过对篱支辩盼数德待羹计黧验证了广义应褒比能方法的有效 牲。 7 基予传逢蕊数变纯的结构攫髂识别方法 由于损伤引起的传递函数的燮化是唯一地由损伤的类型和位置确定，因此有学 者提出基于传递函数或频响函数变化的损伤识别方法1 4 2 删。融然传递函数或频响嗡 第一鞲绪论 数柏信息董犬，谯是揖伤识别仗利龋烦响涵数的一列数据擀| 。文献 4 3 】对一拉索结 构曲f 常状恚以厦两种损伤状态进行横恋测试，用频响函数的曲率采进行损伤榆 测，结果表明利用转递函数域频响函数变化的损伤识别方法是可行的； 8 基于模态分析的结梅损伤识别姆穗经网络方法 率世纪8 。每代遥渐兴莛雏人工祧疑疆络技术，霆游叟魏、计算教学、信息处 理、逄! 子饕攀辩缚者斫窥，产生艘窭戮黉戗凡蘑功髓的新帮攀褥。虽然目嚣人工神 经网络技术的理论还遥远达不到完善翱系统的地步，但其疲用已经凡孚遍及所有的 工程领域。而鼠还在蓬勃发展中。近举来，神经网络在结构动力学参数辨识与结构 损馈检测的应用中已经取得了一定的成果。 结构攮伤浚副羼予动力学的度翱鲋4 ”。由于损伤绻构的动力戆性垮结构颤响函 数商直接的关系，在已稚揆伤结构颇噙灞数静滂况下，要及遥米判定结构斡攒糖类 型d 莅往需要进行复袋# 线性迭代计辣，丽且损伤较太对，掌常礁珏形艘收敛鹩迭 代算法。西此传统濑动力损伤反f 司鼹遮代袋解方法难诅解决膏安际要求的损伤检测 问题。岍于神经网络对伯息的处理要经历学习和计算两个过程，邋过选两个过程， 神娃腿络把反问艘正问题化，凼此适成于反问题的求解。神经网络在搅伤识圳中的 基本思想 4 5 1 是：利用数值求解法( 如有黻元法、齄攘法) 或实测方法，藐取结构中所 需褥理量f 翻频率、撼裂等) 作为媚练样难的输入参数，戳缝秘的缺陷悸为输出参数， 剥用神经网络其肖掇强静自缓织、自学薄窥自适应髓力的特点，遥过一定数量的鲥 练样本让嗣络学习。神经网络害记住选些知识，实现毓输入参数( 弼结捣频率向量 等) 到输出参数( 如结构损伤位置、程戚游) 之闻的非线性泱射，从丽可斟求得反问题 的解。实践证明，训练样本的正确与否肘神经网络训练教暴和结构损伤谈别的准确 性至关重要，因为燕的学习样本台罨致网络的错误映射关系，两最可能导致熙络的 学习不瞧薮。阁时，簿经羁络鳇攀鞫样本建耩唇葑蜥潦至明确麴壤谚据蹲。豳就， 确定神经瓣终训练样本髂选取方法有饕熏要意义。 应用神缎网络进行结构损伤识别的燕簧步骤如下脚4 7 l ：1 ) 构造样本库。针对所 研究的结构，采用能量法模拟计算出结构嶷不同损伤位置和损伤程度下的所对应的 颂率向量，构成神经网络的初始样本繁 2 ) 对样本进行分毛阡和选取。一般来浇选 墩的学习拌，攀应壤盏整个棒奉空阗，霞由于直接计算出束的纫始样本数耀集雹雷的 数据十分庞大，缬果不加选择逢把垒鄂样本嚣捧学习样本，不仅瓣络攀磊对闯长， 甚至可能达不到理想的效果。强麓必懋对裙嫡样本数撂溢行分拼，去捧一部分样奉， 鼯时叉不影响网络学习的效果；3 ) 数据预处理。出于i 争| i = 溉参数数量数不统“，问时 为避免数据绝对值过失而影响网络学习，嚣掣对数据进行蓣箍理；4 ) 建立用j 二悯伤 识别的神经网络的拓扑结构，设置学习参数；5 ) 以频率向量作为神经网络的输入值， 第掌绪论 与之相应的损伤证暨翻损伤程度作为神经嘲络的期望输出僮，对神经稠络进行学 习，直堑收敛；6 ) 阿络学习成功后。利用实测样本肘网络的识别熬禺和推广，h ：能进 行测试。若谡麓襁较小的范围内，可认为该网络学习是成功的i 蓿则重新学习该 网络：7 ) 针对待识剐的实际结构，实溯其频率僮，输八劐该网络中，箕结果可眺作 为凌结构摄伤狭撼纳划断依据。 爨旱关于挣鳋餍鲳在土来工程中蕊用的文章发表于t 9 8 9 苹，之爱膏支羹学崭 将静经网络应