（岩土工程专业论文）工程结构损伤检测的动测法与光纤滑动传感技术研究.pdf

四川大学博士学位论文y7 7 8 6 8 8工程结构损伤检测的动测法与光纤滑动传感技术研究岩土工程专业研究生：唐天国指导教师：剐浩吾工程结构( 建筑、市政、地下工程、边坡工程等等) 的破坏都是由局部损伤开始，经积累、扩展而导致失事，由此往往造成灾难性后果。为预防工程安全事故，工程结构的无损检测和健康监测具有重要意义，以便及时发现早期损伤、防患于未然。动力检测是建筑结构等类型的工程结构的无损检测领域的发展重点。鉴于工程结构损伤的复杂性和动力检测识别的难度，动测技术水平尚不能满足工程需要。本文采取理论分析与模型试验密切结合的技术路线，大力开展跨学科研究，以对危害最大的粱结构裂缝损伤为研究对象，首次提出了2 种新的动测技术模态应变能法和虚拟柔度矩阵法。对裂缝梁损伤进行了系统的动力有限元分析( 可看作一种数值试验) ，按相似理论完成了两个不同比尺、不同材料的动力模型试验，由数值分析特别是模型测试中获得翔实系统的数据，为理论研究和方法验证提供了数据基础和手段。运用人工神经网络的最新进展和相关成果，构建了结构裂缝损伤识别的b p 模型，用以实现动态数据的处理和识别。岩体工程类型( 如边坡工程、坝基工程等) 的破损失事以滑动、滑坡为主，岩体为天然地质体( 动测法对其无能为力) ，故岩体工程检测多采用传感技术的安全监测。鉴于常规岩土工程监测技术的局限性，发展了分布式光纤滑动传感技术，运用土工大三轴试验首次完成了光纤传感监钡8 岩体滑动和钢一砼界面滑移的2 种模型试验，获得滑距一光损耗关系方程。本文的主要刨新成果是：( 1 ) 首次提出结构损伤检测的模态应变能法，以模态应变能为检测指标和四川大学博士学位论文判据。其理论核心是裂缝等局部损伤会直接的显著的改变开裂区域的应变场与能量场。此方法依据结构损伤前、后的模态应变能的变化确定裂缝位置，定位后再利用开裂前、后频率的摄动变化量确定缝深。依据模型动力试验以及数值模拟结果对本方法的检验都说明，应变能指标对表征裂缝损伤十分敏感，新方法优势明显。( 2 ) 首次提出结构损伤检测的虚拟柔度矩阵法。通过对构件单元施加单位虚拟力，得到损伤前后构件各单元广义应变的变化率，直接构造柔度矩阵变化与损伤单元两者间的关联，判识损伤位置和损伤大小。本方法仅需少数低阶模态即可达到较高精度，这对工程实测中一般只褥到前几阶模态的实际条件比较适应。此方法勿需用到结构的数值模型的参量( 如质量矩阵等) ，故其检测与识别结果不受建立数学模型的误差的影响。此方法物理意义简明，计算便捷，经模型试验数据检验，此方法对损伤位置的识别精度较高，对损伤程度也可得出近似估计。( 3 ) 构建了损伤识别的人工神经网络b p 模型，用以实施工程动测的数据处理和损伤识别算法，为其提供了智能化方法和手段。经试验与计算数据检验，这种神经网络损伤识别算法使用方便，功能强，比常规动测法提高了精度，适于工程实用。( 4 ) 运用土工大三轴剪切试验首次实现了分布式光纤传感监测岩体滑动和钢砼界面滑动的模型试验，解决了固体材料滑动瞬间脆性断裂，使光学一力学数据极难采集的难题，测得滑距一光损耗的对应关系数据和关系曲线。提出将其应用于高边坡、大坝岩基地质灾害监测的典型布置方式以及用于钢一砼组合结构界面损伤监测的可能性。关键词：工程结构无损检测；动力检测法：岩土工程安全监测；模态应变能法虚拟柔度矩阵法；模态试验；b p 网络模型；分布式光纤传感：岩体滑动监测；钢砼组合结构界面损伤四川丈学博士学位论文r e s e a r c ho nd y n a m i cd e t e c t i o nt e c h n i q u eo fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa n do p t i c a lf i b e rs l i d es e n s i n gm a j o r ：g e o t e e h n i c a ie n g i n e e r i n gp h d c a n d i d a t e ：t a n gt i a n g u os u p e r v i s o r ：l i uh a o w ue n g i n e e r i n gs t n l c t t l r 髂，s u c ha sb u i l d i n g s ，p u b l i cw o r k s ，u n d e r g r o u n dw o r k sa n ds l o p ee n g i n e e r i n ga r ed e s l z o y e df r o ml o c a ld a m a g e s 。w h i e ha c c u m u l a t e ，a n de n l a r g e da n dw r e c k e d t h ee f f e c to fs t r u c t u r ef a i l u r e sa r ec a t a s t r o p h i c t op r e v e n t i n gs 觚e t ya c c i d e n t s ，n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o na n dh e a l t hm o n i t o r i n go fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa r eh i g hm e a n i n g f u l ，w h i c hc o u l dd i s c o v e re a r l yd a m a g e sa n dt a k ep r e v e n t i v em e a s u r e s t h ed y n a m i cd e t e c t i o nt e c h n i q u ei so n eo fi m p o r t a n tn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o nm e t h o d s 。t h ed a m a g e ss h a p eo fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sa 聪c o m p l i c a t e d , a n dt h e i re f f e c t i v ed e t e c t i n gi sd i f f i c n i la n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ed y n a m i cd e t e c t i o nt e c h n i q u ei ss t i l ln o ts a t i s f a c t o r y i nt h i sp a p e r , t h eb e a mw i t hc r a c kd a m a g ei si n v e s t i g a t e da n d2d y n a m i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e sm c l u d i n gt h em e d a ls t r a i ne n e r g ym e t h o da n dt h ev i r t u a lf l e x i b i l i t ym a t r i xm e t h o d 黜p r e s e n t e d t h eb e a mw i t hc m c ki ss y s t e m i c a l l y8 n 8 l y r e db yt h ed y n a m i cf e m b a s e dt h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，d y n a m i ce x p e r i m e n t so ft w om o d a l sw i t l ld i f f e r e n ts c a l e sa n dd i f f e r e n tm a t e r i a l sa l ec o m p l e t e d al a r g ea m o u n to fd e t a i l e dd a t aa r co b t a i n e df r o mt h em o d e le x p e r i m e n t s ，w h i c hp r o v i d ed a t aa n dm e a n sw i t ht h e o r e t i c a lr e s e a r c h b pm o d a lo ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) h a sb e e nb u i l t i tr e a l i z e sd y n a m i ci d e n t i f i c a t i o no fs t r u c t u r a ld a m a g e s r o c ke n g i n e e r i n ga n dd a mf o u n d a t i o n i td a m a g e sm a i n l yb ys l i d i n g r o c km a s si sn a t i v e l yg e o l o g i cm a t e r i m sa n dc a l l td e t e c tb yd y n a m i ct e c h n i q u e s r o c ks a f e t ym o n i t o r i n gi su s u a l l yd e t e c t e db ys e n s o r s b e c a u s es t a n d a r dm o n i t o r i n gt e c h n i q u ei sn o td e f e c t i v ef o rt h ew i t hg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h ed i s 讲b u m do p t i c a ls l i d i n gs e n s i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p e da n d2m o d e lt e s t s ；i l - ec a r d e do u tt od e t e c t i n gr o c km a s ss l i d i n ga n ds t e e l - c o n c r e t ei n t e r f a c ed a m a g e ，t h er e l a t i o ne q u a t i o no fs l i d i n gd i s t a n c e o p t i c a ll o s si so b t a i n e d t h e r ea r es o m ec r e a t i v er e s u l 招i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h em o d a ls t r a i ne n e r g ym e t h o di sp u tf o r w a r d i t sd e t e c t i o ni n d e xi st h em o d a ls t r a i ne n e r g y t h et h e o r e t i ci d e ai st h a tt h ec h a n g eo fs t r a i nf i e l dl o c a lc r a c kd a m a g e sa n de n e r g yf i e l dp r o f o u n d l ya n dd i r e c t l y c r a c kl o c a t i o ni sd e t e r m i n e db ym e d a ls t r a i ne n e r g yc h a n g eb e f o r ea n da f t e rs t r u c t u r ec r a c k i n ga n dc r a c kd e p t hi sd e t e r m i n e db yf r e q u e n c yp e r t u r b a t i o nc h a n g e r e s u l t so fd y n a m i cm o d e lt e s t sa n dn u m e r i cs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es l f a l l le n e r g yi n d e xi sv e r ys e n s i t i v et oc r a c kd a m a g e sa n dt h em e t h o di sp r e d o m i n a n t s e c o n d l y , t h ev i r t u a lf l e x i b i l i t ym a t r i xm e t h o di sp r e s e n t e df o rs t r u c t u r e sd a m a g e s u n i tv i r t u a lf o r c ei se x c e e do nc o m p o n e n te l e m e n t sa n dg e n e r a l i z e ds t r a i nc h a n g e a b l er a t i o so ft h eu n d a m a g e da n dd a m a g e ds h u c t u r e sa r eo b t a i n e d t h er e l a t i o ni sb u i l tb e t w e e nf l e x i b i l i t ym a t r i xa n dd a m a g e de l e m e n t , a n dt h ed a m a g el o c a t i o na n dd a m a g es e v e r i t yc a l lb ed e t e r m i n e d u s i n gf e wm o d a lp a r a m e t e r sc o u l da c h i e v e db e t t e rp r e c i s i o n ，w h i c hc o i n c i d e sw i t ha c t u a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n s t h em e t h o dd on o tn e e dn u m e r i cm o d e lp a r a m e t e r ss u c ha sm a s sm a t r i x h u n c et h en u m e r i cm o d e le r r o r sh a v en oi n f l u e n c eo l ri d e n t i f i c a t i o nr e s u l t s t h i sp h y s i c a lm e a n i n go ft h em e t h o da n di t sc o m p u t a t i o ns p e e da r es i m p l e m o d e lt e s t sa p p r o v e dt h i sm e t h o do fh i g h l yp r e c i s i o nf o rd a m a g el o c a t i o na n dd a m a g es e v e r i t yc o u l db ee s t i m a t e d t h i r d l y , t h eb pn e t w o r km o d e li sc o n s t r u c t e df o rd a t ap r o c e s s i n ga n dd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n ai n t e l l i g e n tm e t h o di sb u i l t f o rt e s t sd a t ap r o c e s s i n g ，b pm o d e li sc o n v e n i e n t ，h i g ha c c u r a t ea n ds u i t a b l et oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e f o u r t h ，m o d e lt e s t so fd i s t r i b u t e do p t i c a ls e n s i n gf o rr o c km a s ss l i d i n ga n ds t e e l - c o n c r e t ei n t e r f a c es l i d i n gm o u i t o f i n ga r er e a l i z e db yt h et r i a x i a ls h e a rt e s to fs o i l t h ed i f f i c u l t yo fo p t i c a l m e c h a n i c sd a t ac o l l e c t i o nt oi n s t a n t a n e o u sb r i t t l e n e s sf r a c t u r eo ft h es o l i dm a t e r i a li ss o l r e d t h ed a t aa n dt e l m i o nc u r v ef o rs f i d i n g婴型茎兰堕主鲎堡丝苎d i s t a n c e o p t i c a ll o s sa r eo b t a i n e d t h ep r o b a b i l i t yo ft y p i c a la p p f i c a t i o no ft h eo p t i c a l f i b e rs e n s i n gt og e o l o g i cd i s a s t e rm o n i t o r i n ga n ds a f e t ym o n i t o r i n go fs l o p ee n g i n e e r i n ga n dd a mf o u n d a t i o n ，a n ds t e e l - c o n c r e t ei n t e r f a c ed a m a g eh a sb e e ns h o w e d k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o no fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ；d y n a m i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e ；c - e o t c c h n i c a le n g i n e e r i n gs a f e t ym o n i t o r i n g ；m o d a ls 扛a i l le n e i g ym e t h o d ；v m u a lf l e x i b i l i t ym a t r i xm e t h o d ；b pn e t w o r km o d e l ：d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rs e n s i n g ；l a n d s l i d em o n i t o r i n g ；s t e e 】- c o n c r c t ei n t e r f a c ed a m a g e ；四川大学博士学位论文第1 章绪论结构损伤识别的主要研究内容是对各种工程结构包括建筑、市政、地下工程、边坡工程等等，进行检测并对检测结果做适当的分析，从而判断出结构的损伤情况。各种识别方法要依次解决的三个关键问题是：1 ) 结构是否存在损伤；2 ) 确定结构中损伤的位置；3 ) 确定损伤的程度或形式。损伤识别问题的提出有着重要的工程背景，其研究涉及航空航天、水利水电、交通运输及建筑等众多领域。近2 0 年来，科技的高速发展一方面对各类工程结构的力学性能、尤其是承受动载荷能力提出了更高的要求，同时提供了日臻完善的科学理论和技术手段，使结构损伤的识别成为可能。与此同时，近年来有关力学计算方法发展迅速，在损伤检测方面取得了大量的研究成果。1选题的背景和意义建筑结构的质量事故直接关系到人民的生命财产安全，因此研究建筑结构损伤检测技术具有重大现实意义。大型土木工程结构( 如高层建筑物、桥梁等)对自身的安全性要求较高。使用过程中的疲劳和老化，以及结构物本身受到的一些突加荷载作用，一些结构部件，在制造和安装过程中可能会形成初始缺陷，都是造成结构损伤不可避免的因素。一般工程结构体的破坏都是从这些局部的损伤或缺陷区域开始并扩展，最后引发结构的整体破坏。重要工程结构的破坏将产生灾难性的后果。如1 9 6 7 年1 2 月横跨美国俄亥俄河上的银桥突然倒塌，造成4 j 6 人死亡 1 1 ；1 9 9 9 年1 月4 日，我国重庆綦江彩虹桥倒塌，造成1 6 人死亡，2 4 人重伤的恶性事故；法国马尔巴塞拱坝( 高6 7 米) 与1 9 5 9 年1 2 月2日发生大坝岩基滑动而失事，死4 0 0 人；2 0 0 4 年5 日3 日，贵州纳雍县发生岩崩造成5 4 人遇难，垮塌的岩石约有5 0 0 0 万立方米，属重大地质灾害事故。我国土木工程结构质量问题不容乐观。一方面，建国初期所建设的一大批工业与民用建筑结构经几十年使用，有的已严重老化，旧建筑的质量检测鉴定任务越来越大；另一方面，桥梁断裂、房屋倒塌等建筑事故时有发生，引起社会的广泛关注。因而加强建筑质量测控和安全检测评估任务十分紧迫。结构的裂缝损伤则多发生在构件内部，一般都很难用肉眼观察到。损伤造- - 1 第1 章绪论成的刚度降低是局部的，结构的宏观特征( 如变形等) 或功能在一般情况下没有明显的变化，而当损伤扩展到一定程度时却会突然引发灾难性的后果，造成猝不及防的重大损失，这些问题也是对结构内部损伤进行识别的难点所在【2 ”。此外，高边坡的滑坡、岩层滑动等事故及钢一硷组合结构在现代大型土木工程应用日趋广泛，其主要破坏形式为钢一砼之间的界面滑动破坏。如何对这种类型的内部精动损伤进行监测也是损伤识别的新问题。因此，如何使用非破坏的检测手段，有效地、特别是实时地检测出这些隐藏于结构内部的损伤日益成为大型土木建筑等工程领域所关注的研究课题，其重要意义是不言而喻的。与之相关的识别方法研究对提高结构的可靠性和安全性将起到十分关键的作用。此外，对重要的老、旧建筑结构( 如大型桥梁、厂房等) 进行内部损伤检测，并依据检测结果进行各种方式的补强、延长使用寿命，也是土建部门十分关注的类问题。众知，岩体是天然地质材料，岩体内赋存层面、节理、裂隙、断层、软弱夹层等等多种地质结构和天然损伤，岩体的破坏以剪切破坏为主。因此，对岩体破坏的检翔4 是与建筑结构检测不同的另一类型的事故监测问题。在工程领域和减灾防灾领域里，岩体破坏主要表现为：( 1 ) 工程结构的地基的滑动；( 2 ) 高边坡工程的滑坡；( 3 ) 岩土体滑坡的地质灾害。总之，上述的破坏类型主要表现为岩体滑坡事故。对岩体滑坡的监铡在于利用传感设备监测岩体的稳定状态及可能滑动的早期征兆，以便及时采取对策，把灾害减到最小。这方面，常规的传感器或设备的灵敏度和长期稳定性都不令人满意。因此，发展监测岩体滑动的高新技术具有重要意义。2现有损伤检测方法目前土建领域的检测方法除常规的静力破坏试验外，在努力发展所谓的探测媒介技术，见表1 1 。它可以在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下利用光( 如x 射线) 、声( 如超声波) 、热( 如热成像t h e r m o g r a p h ) 、电( 电涡流) 、磁场和射线，通过测定有关泥凝土性能方面的物理量来推定混凝土工程的强度_ 2 一四川大学博士学位论文和缺陷。具有：无损性不破坏构件或建筑，不影响其使用性能，且简便迅速；直接性可直接在结构混凝土上作全面检测，能较真实地反映混凝土的质量和强度，可避免标准试块不能真实反映工程质量的缺点；能获得破坏实验所无法获得的信息，如内部空洞、疏松、开裂、不均匀性及化学腐蚀等。连续性和重复性可进行连续测试和重复测试，使测试结果具有良好的可比性。探测媒介技术的不足之处：一般只能对小型的结构或结构某些部位的标准部件( 板材等) 进行检查，对大型复杂结构无能为力；一般要在现场或实验室进行，使用时受场地、仪器的限制；检测手段设备仪器昂贵，检测费用高；一般必须事先确定出损伤的大体范围，检测精度和功能尚差强人意。鉴于上述检测方法的局限性，土建工程在着力发展动力检测方法，即一种无损检测方法，利用结构在动态载荷下的响应变化识别损伤。表1 1常用无损检测技术的优缺点一3 一第1 章绪论3 损伤识别问题的理论背景及研究意义3 1 理论背景工程结构损伤识别属于结构动力学一类典型的反问题娜( i n v e r s ep r o b l e m ) ，或叫逆问题。正问题是建立系统状态的数学模型，并根据其定解条件去求解这一定解问题，得到过程与状态的数学描述。在相反的情况下，当定解问题中的某一个或几个原来的已知量变为未知的，而原方程的未知函数可能仍然是未知的，或只知道与此未知函数有关的某些信息，需要通过方程、定解条件或附加的某些其他条件来确定这些未知量，则这类问题被称为反问题【5 】。正反问题可以由图1 1 所示的物理问题模型做出直观的解释1 6 。图1 1 中，结构系统( s y s t e m ) 由系统本身特征参数( 质量矩阵、刚度矩阵等) 来描述，响应输出( o u t p u t ) 为系统在激励输入( i n p u t ) 作用下系统的响应。正问题表述由因求果的有序过程：如果外界对系统施以激励输入，将产生响应输出。但当系统本身是未知的、或输入也是未知，希望能够利用响应输出来获取系统和输入的有关信息结构系统s ys t e m图11 结构系统物理问题模型按已知信息与求解目的不同，反问题可大致分为辩识问题( i d e n t i f i c a t i o i 1p r o b l e m ) 、设计问题( d e s i g np r o b l e m ) 和控制问题( c o n t r o lp r o b l e m ) 闭。从数学物理方程角度分析，微分方程定解问题有三个组成部分：微分方程、初始条件、边界条件，有时还有附加条件：微分方程：初始条件：边界条件：附加条件：l u ( x ，f ) = ，0 ，r )l u ( x ，f ) = 伊( 曲b u ( x ，f ) = 妒o ，f )a u ( x ，r ) = k ( x ，f )工q ，t ( o ，一)z q t = 0x q石q卜( 1 一1 )( 1 2 )( 1 3 )( 1 4 )四川大学博士学位论文其中u ( x ，f ) 为未知函数，y ( x ，f ) 为已知的右端项，垆( 曲、矽r ) 、k ( x ，f ) 分别为初始、边界与附加条件的已知给定函数。厶工及彳分别为域内方程、初始条件、边界条件与附加条件的微分算子。在上述这些已知量中有某一个变为未知时，为了求解可增加必要的附加条件，这样即构成了数学物理微分方程的反问题。通常，这类反问题可分为如下几类：( 1 ) 当算子三为未知时，称为算子识别问题。通常的情况是算子l 的结构为已知的，未知的是算予中的参数，这类反闷题常称为参数识别问题；( 2 ) 当右端项，f ) 为未知时，称为寻源反问题；( 3 ) 当初始条件9 ( 曲为未知时，称为逆时间过程的反问题；( 4 ) 当边界条件p f ) 为未知时，称为边界控制问题；( 5 ) 如果区域的边界曲是未知时，则称为几何反问题。本文中所研究的结构系统损伤识别( 主要是裂缝损伤) 问题即属于参数识别反问题，即为第( 1 ) 类问题。因此，该研究课题也就具有反问题所共有的特点和难点，以及相应的理论研究意义。工程实际损伤检测中提出的反问题往往是待定多个未知数，即几类反问题可能在一个实际问题中同时出现。因此，为了简化求解或使求解成为可能，常用的处理方法是把某些待定或不确定的函数视为已知，先分解难点，再逐步求解。损伤识别问题中普遍采用的诸如质量分布不变、理想的边界与连续条件等各种假设即属于合理的简化。3 2 开展损伤识鄹反问题研究的意义各类反问题，研究的实质是解决如下问题：当正问题的某个已知量变为未知量时，确定应该补充什么样的附加条件，以此构造适于求解的反问题，进而应用适当的数学工具求解之。可见，反问题通常的解决过程分为两个步骤：一是构造反问题；二是求解反问题。工程结构对反问题的研究侧重于反问题的构造，即针对不同工程结构问题，根据各种已知条件并结合相应的正问题的有关理论。构造适当的反问题并求得其解。而求解结果一般要再应用于工程实际中，以检验其正确性。对于损伤识别问题，通常已知的信息是结构损伤前、后的各种动态响应，要以此为基础构造反问题关系式，识别出与损伤相关的未知参数。目前部分学者提出的各种损伤识别算法，也包括本文的研究算法都是着眼于如何构造出可行、稳定、准确_ s 一第1 章绪论的损伤参数识别反问题关系式。从数学的角度，反问题求解的难点是：首先，绝大多数反问题是非适定的，因此无论是进行理论分析还是数值计算，求解反问题都是比较困难的。数学物理定解问题若满足解存在、唯一且连续这三个条件，则称该问题是适定的。工程结构领域中的正问题大多数是适定的。上述的三个条件中有一个被破坏，则该问题变为非适定的。反问题的求解体系中，微分方程、初始条件及边界条件是不完全或部分未知时，则其解的存在性、唯一性及稳定性不能得到保证。对于本文中所提及的损伤参数识别反问题，还有一些自身特有的原因导致解不唯一，比如待求解的参数对系统响应的影响可能是耦会的同一结构不同部位、不同程度的损伤可能造成相同的频率的变化。实际上。由于大型复杂工程结构多是非线性的，尤其是要经受外部激烈动力激励作用的结构，不会处于理想的线性状态，从模糊结构理论【8 】的角度讲，处于恶劣环境的结构，应允许其处于某种“破损”状态因此，要准确了解这些“损伤”结构动态方面的特征。通常的线性理论和方法无能为力。而所谓的线性方法，实质上仅仅是一种近似的处理方法，大量的影响系统特性的物理力学方面的因素被略去，以至于使分析者无法准确全面的了解和获得系统动力方面的特性和信息。在求解这类问题时，其解连续依赖于响应数据的要求对数值计算是非常重要的，否则数据的微小变化( 包括测量误差、测试环境噪声等不可避免的情况) 会使解发生较大的变化。对这类非适定反问题，常用的处理适定反问题时行之有效的方法通常就无能为力。因此，对这类反问题的分析、识别算法都要进一步进行更新改进。此外，反问题求解还要解决计算量问题，因涉及到噪声与数据稳定性等要求，许多反问题的解借助于泛函极值【9 】来定义解决。结构损伤识别反问题的研究对于有关的物理数学反问题也有一定的贡献。首先，可以通过研究工作得到一些理论或经验性的公式及处理方法，改善反问题的性质。如通过对测试数据做适当的处理( 比如去噪、滤波等) ，改善解的存在性、唯一性与稳定性等问题，建立起解的稳定性条件和所需输入数据的关系等等。其次，在结构损伤识别问题中，不同的测试数据( 如模态参数与频响曲线) 识别效果是不同的，对反问题而言即不同数据的敏感度不同，本文中通过各种识别算法的研究对比，可以得到反问题在这方面的一些性质。综上所述，工程结构损伤识别问题的研究对反问题的构造和求解都是非常- - - - 婴型楚苎主兰壁兰苎一有意义的。4结构损伤识别问题的研究现状工程结构损伤识别问题的基本思想为：当结构出现损伤时，相应部位的刚度和承载能力下降，从而引起结构动态特性的变化，通过比较未损伤结构和损伤结构的振动信息便可确定何处出现了损伤以及损伤程度如何。其基本过程为：对结构的原始设计进行有限元建模及有限元模态分析，预测结构的模态和频率，作为结构未损状态下的动态信息：对含损伤的实际结构进行试验模态分析，获得模态参数作为待检信息；将试验得到的结构动力特性和数学模型预测的结构动力特性进行比较，确定损伤是否发生以及发生的位置和程度。其研究内容为：结构振动参数的识别、损伤信息特征量的提取和分析、损伤部位的确定、工程结构质量和使用寿命的判定等。通常都是把数值模拟方法与动力试验结合起来进行的。上述的损伤识别过程是基于结构模态参数变化的动力检测法，其关键首先是选取适当的损伤标识量( 即损伤尺度) ，要求不论用哪种激励方式和不论用哪个模态参数作为分析标准，其变化能够明确地反映局部损伤造成的结构动态特征变化，而且这种损伤标识量能够通过有效的数据处理方法( 如f f t ) 从结构整体响应中提取；然后继续对此响应数据进行数学分析处理，即用损伤识别算法，有效地判断出结构损伤的位置和损伤程度。而对于复杂的大型工程结构，同时识别损伤位置与损伤程度一般是很困难的。因此，目前大多数算法都分为两步，先找出损伤位置( 如裂缝位置) ，再找出损伤尺度( 如裂缝深度) 。根据算法所采用的损伤标识量的不同，而分为若干种识别方法。4 1 利用固有频率变化的识别方法结构损伤实质上是结构局部刚度和质量的损失，反映在结构动力特性上就是结构频率和振型的变化。近年来，对损伤的辩识主要集中在采用频率或振型作为表征结构损伤的敏感参数 1 0 。1 2 。根据结构动力学理论，结构损伤的存在，必然导致系统结构组合刚度发生变化，相应会影响到结构的动力特性参数，使得各种结构参数( 固有频率和模态等) 在不同程度上受到影响，进而使结构显示出与正常结构相异的动态特性。因此，根据结构系统的固有特性参数的变化 一第1 章绪论来检测结构的损伤，在理论上是有充分依据的。n 自由度结构系统的运动方程为【m 】f j + 【c 】f j ) + k i x ) = f o ( 1 5 )式( 1 5 ) 中，嗍、【c - 、【嗣各为质量、阻尼、刚度矩阵，x 为位移。特征值方程为( 【置】一【m 】矿) 【西】= 【0 】( 1 - 6 )式( 1 6 ) 中，删为特征频率：【中】为振型。一旦结构出现损伤( 如裂缝) ，结构的刚度、质量等会发生变化，从而是使结构的频率发生改变。因此，可以根据结构频率的改变来进行损伤识别。假设结构出现损伤后，结构的刚度和质量矩阵 加、 脚出现微小的变化 叼、 脚，则结构的频率脚2 和振型睁】也将会有微小的变化，令此变化为功2 、【蛐】，则可导出下式：蚺嚣搿( 1 7 )式( 1 7 ) 即为频率损伤方程。利用结构固有频率的变化进行损伤识别的优点【l 习是：测试时，固有频率容易获得，且测试精度较高。但是，多次实践表明，也有一些不足：一般说来，仅利用频率的变化而不辅以其它条件难以确定损伤位置，因为不同位置的损伤可能使频率产生相同的变化( 对称结构的对称损伤即是) ，这己成为该领域研究者们的共谢。从式( 1 7 ) 还可以看出：( 1 ) 频率是结构损伤程度和损伤位置复合决定，不是由单一因素决定；( 2 ) 当损伤位置确定后，损伤程度越大频率的改变量就越大：( 3 ) 当损伤程度一定时，损伤位置对频率的改变的影响相当复杂。即结构的一些部位的损伤对某些低频成分影响大，另一些部位的损伤则对某些高频成分影响大，还有一些位置的损伤对结构某些特定频率的改变影响不大，甚至没有影响。( 4 ) 2 是关于 加的二次型，则频率的改变和结构整体特性的改变有关，因此频率不是局域量。4 2 利用振型变化的识别方法文献u 5 1 进行数值仿真表明，对于大多数模态，在局部损伤位置区域的模态四川大学博士学位论文振型( 位移模态或应变模态) 变化都有明显的峰值，且幅值大小随损伤程度的增加而增加【1 6 1 ，而未损伤区域振型变化不明显 1 。因此，可以根据模态振型进行结构损伤识别。依据式( 卜6 ) 中振型的变化量【西j 有：坑= m a x l 七x , i , ， = m a x l a 氟l( 1 _ 8 )ol 一41。i式( 1 8 ) 中表示利用结构某阶模态振型变化的最大值6 ；的特性可以检测结构的损伤，其大小可以间接地反映损伤的程度【18 】。m a z u r e n kd e 和d e w o l fj t 【1 9 】提出可以利用结构的固有频率和振型作为结构的振动指纹，并对此作了相应的试验，指出阻尼比往往难以精确的得到，不可能作为可靠的指纹；固有频率受质量变化的影响大；振型受裂纹扩展的影响大，可以用于定位。p a n d e ya k ，b i s w a sm 和s a m m a nm m 1 2 0 】提出采用梁的曲率模态振型来识别梁的损伤位置和程度，同时结合用频率的变化判断梁有无损伤，以加快识别的速度。gc y a o ，k c c h a n g 和gc l e e e 2 1 j 提出了应变模态振型的概念，认为当结构损伤或变化时，达到一个新的力平衡状态，而这种力的重分布可以从结构的应变模态振型中反映出来，因为力的重分布通常集中在损伤位置附近，所以该方法可以灵敏的检测出局部损伤。4 3 利用频率和振型相结合的识别方法c h e n 和g a r b a 【蠲利用损伤前系统的解析模型与损伤后结构的模态数据来求解残余力向量，由其中的非零自由度可有效地判断结构的损伤位置。r i c l e s 和k o s m a t k a t z 3 l 采用同样的方法，并考虑了损伤引起的质量矩阵变化。一些研究者1 2 s - 2 6 着力于利用柔度矩阵而非刚度矩阵的变化进行损伤识别。这类方法的优点在于柔度矩阵可以由振动测试数据直接构造且需少数低阶模态就可得到较精确的结果，这恰好与试验模态测试难以准确获得高阶模态相适应。此外，部分研究者1 2 7 删利用一些特殊的模态参数进行损伤检测。史治宇等学者 2 9 - 3 3 1 将频率、振型以及f e m 的有关结果进行了一些改进提出局部频率变化率法。4 - 4 其他损伤标识量的识别方法h e a r ng 和t e s t ar b t 划采用各阶模态固有频率的变化来进行刚框架结构的损伤定位和定量的识别试验。利用模态振型建立的指标有模态保证准n f m a c )和坐标模态保证准则( 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第1 章绪论比较两个不同振型。在模态试验中常用于检验测量模态振型的正交性。e w i n s 3 5 认为m a c 也指损伤前后模态振型的关联系数，在实际应用时，当m a c 大于0 9 时，两模态振型相关联；小于o 0 5 时，两模态振型无关。结果表明m a c 和c o m a c 均为第一水平的指标，即判断结构是否发生损伤，当用来判别结构是否发生损伤时，采用c o m a c 比采用m a c 所需的测试工作量要少得多，只需要在若干振幅大的测点进行测量，就可对结构的状态作出判断。针对实际测量点少于计算的自由度，一些学者用模态振型扩阶技术来获取其余的自由度数据，如物理插值法。鲫、柔度矩阵差值法彻、动测刚度变化法例、均载变形曲率法3 跚。其中均载变形曲率法是柔度差值法和曲率模态振型法相结合的产物。曲率的计算方法可用中心差分，也可用多项式拟合进行微分获得，多项式拟合比用中心差分法更能提高均载变形曲率法的损伤定位精度。部分学者3 8 删经过研究分析后还发现，如果实际的测点较少，则不管用哪种计算方法，比如中心差分法和多项式拟合后再求导法，计算精度都不够高。4 5 结构整体检测方法按照检测结构部位的不同，损伤检测基本上可分两大类方法：整体检测和局部检测【4 l 】。整体检测法试图评价整体结构状态，而局部检测法则依靠成熟的无损检测技术对某个特定的结构部件进行检测，判断是否有损伤及损伤的程度。当然，也可把二者结合使用，首先用整体检测法进行整体评价，确定出损伤的大致位置，然后用局部检测法对该处的部分结构进行具体的损伤检测。整体检测技术可分为静态检测方法和动态检测方法两种。静态检测方法是对桥梁进行静载试验，量测与结构性能相关的静力参数，如变形、挠度、应变、裂缝等，通过对这些参数分析，可直接判定结构静承载能力，并得出结构的强度、刚度及抗裂性能。动态检测方法是对结构进行动力载荷试验，研究工程结构的动力性能，动力性能是判断建筑结构本身状况和承载能力的依据。传统的检测手段可以对结构的外观以及某些结构特性进行检测。检测的结果一般也能部分地反映结构的当前状态，但是却难以全面反映结构的健康状况。此外，常规的检测技术也难以发现隐秘结构的损伤。于是近十年来，国内外学者一直在寻找一种能适合用于复杂结构的整体探伤评估方法，目前得到普遍认同的一种较有前途的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析法。这种方法在发达国家已被广泛运用于航天、四川大学博士学位论文航空、精密机床等领域的故障诊断、载荷识别和动力学修改等问题之中。围绕这个思路近年来人们提出了一些结构整体检测方法。从研究和应用的角度看，这些方法大致可分为模型修正法和指纹分析法。常用方法为动力指纹分析法1 4 2 ( 又叫模式识别法) 。动力指纹分析法是指结构系统发生损伤以后，其动力特性参数随着时间的连续变化，将不断发生变化，从而引起相应的测试仪器的参数显示的变化，好象人的手在物体上留下指纹纹路一样，动力指纹分析法因此得名。前面所提到的常用的动力指纹有：固有频率、振型、振型曲率、频响函数、模态柔度矩阵、模态保证准则( m a c ) 和坐标模态保证准则( c o m a c ) 、应变模态和位移模态等。依据此类方法，首先必须对结构进行动态实时监测，建立与动力指纹相应的结构可靠度和一系列先期预估的损伤对应的数据库，然后将结构发生损伤后的动力指纹与其比较。进行损伤识别。这类方法特点是敏感性不高，工作量较大，与所潜在的先期损伤相对应的数据库较难建立。很多学者做了大量的工作，m o n a c o 等【4 3 1 用频响函数作为指纹，将改变的频响函数作为一个有代表性的动力指纹。m a 等采用去除反应反射的频响函数( d f r ) 作为指纹，识别结构多点损伤。结构损伤改变去除反射的频响函数的相位，因而改变的去除反射的频响函数可以作为一个