河海大学硕士学位论文—混凝土材料与结构损伤检测方法研究.pdf

河海大学 硕士学位论文 混凝土材料与结构损伤检测方法研究 姓名： 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾工程及防护工程 指导教师：; 20070401 摘要、a b s t r a c t 摘要 针对混凝土结构缺陷的无损检测方法展开研究，综合讨论了混凝土结构缺陷 检测的主要方法及其特点，总结了国内外混凝士无损检测发展概况及存在问题。 针对混凝土结构的特点，对普通混凝土、钢纤维混凝土构件在成形之后的前 期，采用超声波来检测混凝土表面浅裂缝深度与内部不密实区和空洞。通过试验 研究和数据处理与分析，得刭混凝构件缺陷的具体情况，效果较理想。表明超 声波用于无损检测是可行和适用的。 基于结构振动理论，提出了一些适合于工程结构无损检测的技术，通过理论 分析、数值模拟和实验验证相结合的方法对所提出的无损检测技术进行了系统的 研究。 利用频响函数法对悬臂梁结构，采用数值模拟和实验研究分析两方面应用于 结构损伤检测的规律和特点。数值模拟计算和实验研究的成果具有较好的一致 性。结果表明，频响函数法用来检测结构的早期损伤的存在比较困难，确定损伤 发生的位置更加困难，也很难检测出损伤的程度。 采用数值计算的方法研究曲率模态应用于悬臂梁结构损伤检测的规律和特 点，并与传统位移模态的检测方法进行对比。计算结果表明，传统的位移模态振 型对结构损伤没有曲率模态振型敏感，用来判定结构损伤的位置更加困难。曲率 模态振型可有效地确定结构早期损伤的存在、程度和位置，对结构多个位置同时 发生损伤的检测有很好的效果。实验结果进一步证实，曲率模态法在结构的早期 损伤检测中具有明显的优越性。 关键词：无损检测；混凝土；超声波；曲率模态；频响函数 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e a n so ff a u l t si nc o n c r e t e s t r u c t u r e s s y n t h e t i c a l l yd i s c u s st h ep r i m a r ym e t h o d sa n di t sc h a r a c t e ro f t h ec o n c r e t e s t r u c t u r e s f a u l t st e s t i n g s u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n ta n de x i s t i n gp r o b l e mo f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lo f t b ec o n c r e t es t r u c t u r e s n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g u s i n gt h eu l t r a s o n i cd e t e c t st h ec o n c r e t ec r a c kd e p t ho ft h es u r f a c ea n di n t e r n a l l a c u n a sa n dh o l e sa i m i n ga tt h e c h a r a c t e ro ft h ec o n c r e t es l l b c t u r e s ，i nc o m n l o n c o n c r e t ea n ds t e e lf i b e rl c i n f o r c c dc o n c r e t ef o r m i n ge a r l i e rp e r i o d t h r o u g h e x p e r i m e n t a ls t u d ya n dd a mp r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，t h ee f f e c ti si d e a lt od e t e c tt h e c o n c r e t el a c u n a sa n dh o l e sr e g i o n ，t h ea p p l i c a t i o no f t h ew a yi nn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i ss u i t a b l ea n df e a s i b l e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e so fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r eb a s e do nv i b r a t i o n t h e o r ya r ef o u n d e d t h es y s t e m a t i cs t u d i e so nt h e s et e c h n i q u e sa r ec o m p l e t e db y t h e o r e t i c a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，e x p e r i m e n t s t h r o u g ht w ow a y so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t si st os t u d yt h er u l e a n dt h ec h a r a c t e ro f t h es t r u c t u r ed a m a g ed e t e c t i o nu s i n gf r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n t ot h ec a n t i l e v e rb e a ms t r u c t u r e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o i l sa r ec o n s i s e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t ss t u d yw e l l t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sd i f f i c u l tt od e t e c tt h ep r e s e n c eo f i n i t i a ld a m a g ea n di t ss e v e r i t y , a n dl o c a t ei n i t i a ld a m a g eu s i n gt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e f u n c t i o n t h ec a n t i l e v e rb e a md a m a g ed e t e c t i o nm e t h o d su s i n gc u r v a t l em o d ea r es t u d i e d b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u r v a t a r em o d ea r ec o m p a r e d 、 d m t h o s eo ft r a d i t i o n a ld i s p l a c e m e n tm o d e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t d i s p l a c e m e n tm o d es h a p ei sl e s ss e n s i t i v et os t r u c t u r a ld a m a g et h a nc u r v a t u r em o d e s h a p e s ，a n dl o c a t i n gs t r u c t u r a ld a m a g ei sm o r ed i f f i c u l t c u r v a t u r em o d es h a p ec a n i n d i c a t et h ep r e s e n c eo fi n i t i a ld a m a g ea n di t ss e v e r i t y , a n dl o c a t ei n i t i a ld a m a g eo fa s t r u c t u r ee f f e c t i v e l y c u r v a t u r em o d es h a p ei ss u i t a b l ef o rd e t e c t i o nm u l t i p l ed a m a g e i nas t r u c t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tv e r i f i e sf u r t h e rt h a tc u r v a t u r em o d ei sm o r e s u i t a b l ef o rd e t e c t i o no f i n i t i a ld a m a g ei nt h es t m c t u r e k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ；c o n c r e t e ；u l t r a s o n i c ；c u r v a t u r em o d e ；f r e q u e n c y r e s p o n s ef u n c t i o n 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 7 年够月矽日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：里盘盘童 2 。7 年l p 月，7 日 河海大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 建筑结构与人类的生活息息相关，除了各种灾害性破坏( 如地震、强风、火 灾、意外撞击等) 之外，建筑结构投入使用后，在外部环境条件的作用下，其材 料的性能会随着时间的推移而逐步发生蜕化，主要表现为材料强度或结构刚度等 力学性能的降低，进而在结构局部范围内积累起裂缝、腐蚀、变形等损伤。虽然 这些局部损伤一般不会立即导致整个结构的毁坏，但它往往对结构的安全构成很 大的潜在威胁。再者，由于传统的建筑结构可靠性是通过设计方法来保障的，而 建筑物建成后的实际结构形态与结构设计模型并不完全一致。因此，如何用结构 的实测试验数据来检测已建结构的损伤并评判其现有的可靠度水平，已经成为现 实工程中一个亟待解决的问题。 近几十年来，世界范围的建筑工业重心正在从大规模新建转向新建与维修、 加固并举。就我国的情况而言，五六十年代建造的大量建筑物，包括工业厂房、 民用住宅、办公楼、桥梁等，有的已经接近设计基准期；有的由于种种原因，在 不同程度上受到了破损。改革开放以后建造的许多建筑物，由于施工质量管理制 度的不健全，也存在着一些安全隐患。因结构破坏造成严重的人员伤亡及财产损 失在国内外都不乏其例，如：1 9 9 4 年在韩国发生的断桥事件、1 9 9 8 年重庆綦江 彩虹桥坍塌事件，2 0 0 1 年的宜宾市南门大桥( 1 9 9 0 年7 月通车，当年号称“亚 洲第一拱”) 突然断裂等等。据有关统计资料显示1 ”，我国在役结构物中约有二 分之一以上存在不同程度的损伤，有许多结构已经进入服役的后期，如不采取措 施，到本世纪中叶，我国将至少有一半以上的在役结构由于安全度过低而退役。 美国2 0 0 1 年度基础设施报告书中称有近l 3 l 2 的道路、桥梁、建筑等基础设施 存在结构性损伤，其交通部报告每年有5 6 0 0 座桥梁被更新【2 i 。日本到2 0 2 0 年预 计因结构损伤需要维修的桥梁将占到总数的1 2 。实践表明，对建筑结构进行定 期检测和维修加固有利于消除因结构损伤而存在的安全隐患、避免结构突然倒塌 事故的发生。因此，加强建筑结构的质量监测和控制刻不容缓。 在建筑结构中，特别是工程结构的安全可靠性已成为人们最为关注的问题。 第一章绪论 主要是由于： ( 1 ) 工程结构正朝着高层次、大柔度方向发展，在风载、地震作用下可能 产生危险振动； ( 2 ) 工程结构的使用年限已接近或超过设计寿命，产生老化现象； ( 3 ) 建筑承包商为利润所驱使，在施工过程中偷工减料，未能达到设计要 求，致使工程质量的安全性产生严重的问题。 因此如何科学准确地判定结构的安全可靠性是一个很有意义的研究课题。要 实现这一目标，对材料和结构的无损检测就尤为必要。 1 2 混凝土无损检测技术发展概况与研究现状 混凝土结构无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物，现代材料科学、 应用物理学及固体力学的发展都为混凝土无损检测技术奠定了理论基础，现代电 子技术和计算机科学的发展为其提供了现代化的测试工具，同时现代土木工程中 迅速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损检测技术不断提出新的更高要求。 无损检测已经成为混凝土测试技术体系中一个重要的组成部分，是建筑工程测试 技术现代化的重要发展方向。 近年来，该领域的研究工作成果显著。现从以下几方面对无损检测技术的研 究现状及存在问题作简要的论述。 ( 1 ) 基本理论 无损检测技术必须建立在混凝土的某些性能指标与适当物理量之间的相互 关系的基础上。为寻找与该性能指标密切相关，而且又能在结构上用无损检测的 方法直接测量的物理量，往往采用两种方法。一种是归纳法，就是在大量试验的 基础上，用回归分析的方法确定它们之间的经验关系。这种方法工作量比较大， 而且由于试验条件及原材料等众多因素对试验结果有一定的影响，所得的经验关 系往往只局限于某种条件或某一地区，而没有广泛的适用性。另一种方法是演绎 法，就是根据性能指标与某些物理量的理论联系进行逻辑推演，从理论上确定它 们之间的关系，然后再通过适当的试验进行验证。这种方法所得的关系往往是以 基本科学的基本原理为理论依据，因而具有较好的适用性。由于混凝土材料的特 殊性，这方面的理论依据较少，而且往往建立在假设的基础之上。同时，要在混 2 河海大学硕士学位论文 凝土结构现场检测的各种试验方法中，都采用演绎法建立基本关系是非常困难 的。因此，目前在上述两种方法中使用较多的仍是第一种方法。近年来随着基础 科学的发展，为混凝土性能与相关物理量之间理论关系的研究奠定了基础。 目前，混凝土结构无损检测基础理论方面的研究主要集中在两个方面，其一 是混凝土强度理论及无损检测常用物理量的关系；其二是混凝土结构中波的传播 机理。 总之，混凝土结构无损检测技术是一门多学科综合的应用技术，只有将基础 理论与工程实践结合起来，才能完善现有方法和开辟新的途径。 ( 2 ) 无损检测方法 混凝土无损检测是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用 声、光、热、电、磁、和射线等方法，测定与混凝土力学性能有关的物理量，来 推定混凝土的强度、缺陷等。混凝土无损检测与常规的标准试块破坏试验方法相 比，具有下列特点【3 1 ： 不破坏构件或者建筑物的组织结构，不影响其使用性能，而且简便快速。 可直接在混凝土结构上作全面检测，能比较真实地反映混凝土的实际质 量和强度，可以避免标准试块不能真实反映工程质量的缺点。 能获得破坏试验不能获得的信息，如能检测内部空洞、琉松、开裂、不 均匀性、表层烧伤、冻害及化学腐蚀等，这些都是标准试块破坏试验无法代替的。 标准试块破坏试验只能用于新建结构工程的混凝土质量检测，而无损检 测方法，对在建和现役建筑物都适用。 可以进行非接触检测，如用红外线法、摄影法等，无需接触建筑物，减 少了搭建脚手架等过程和人为误差。 可以进行连续测试和重复测试，使测试结果具有良好的可比性。 由于是间接检测，检测结果要受到其他多种因素的影响，检测精度要比 直接检测差。 目前，用于混凝土无损检测的方法很多，除了几种常规的方法( 超声、回弹、 射线) 外，还有红外线、电磁波、声发射等方法，表1 1 列出了目前混凝土无损 检测的常用方法。 表1 1 混凝土无损检测方法及原理分类表。 第一章绪论 检测目的方法测试量检测分析原理 钻芯法芯样的抗压强度 拔出法 拔出力 压痕法压力及压痕直径或深度 局部区域的抗压、抗拔或 抗冲击强度换算成混凝土 射击法 探针射入深度 标准强度的换算值 嵌注试 嵌注试件的抗压强度 件法 回弹法回弹值 超声脉 冲法 超声脉冲传播速度 超声回 根据混凝土应力应变性质 弹综合回弹值和声速 与强度的关系，将声速、 混凝土强 法 回弹、衰减等物理量换算 度 声速衰 成混凝士标准强度推算值 减综合声速和衰减系数 法 脉冲回 振动参数 根据振动参数与强度的关 波法系，推算混凝土标准强度 根据吸收和散射强度与混 射线法射线的吸收和散射强度凝土密实度的关系，推算 混凝土标准强度 根据度、时、积与强度的 成熟度 度、时、积关系，推算混凝土标准强 法 度换算值 超声脉声时、波高、波形、频率、反 波的绕射、衰减、叠加等 冲法射回波 声发射声发射信号、事件记数、幅值声发射源的定位，声发射 法分布能谱等的凯塞效应 脉冲回从时域、频域的综合分析 混凝土内 波法 应力波的时域、频域图 确定应力波的反射位置 部缺陷与 穿透缺陷区后射线强度的变不同介质对射线吸收的差 损伤程度 射线法 化异 不同反射物的雷达波反射 雷达法雷达反射波 强度的差异 红外热 热发射缺陷区热发射强度的变化 谱法 共振法固有频率、品质因数振动参数分析及其与混凝 其他性能 土弹性、非弹性、脆性及 敲击法固有频率、对数衰减率 耐久性之间的关系 应力波分析及其与混凝土 超声法声速、衰减系数、频谱弹性、非弹性等性质之间 的关系 透气法气流变化 孔隙渗透性 磁测法磁场强度钢筋对磁场的影响 4 河海大学硕士学位论文 混凝土的电阻率及钢筋的半 电阻率与含水率及厚度的 电磁法关系，及钢筋锈蚀与半电 电池电位 池电位的关系 射线穿过钢筋区后的强度变 射线法射线摄影分析 化 中子散 中子散射强度 散射强度与氢原子含量的 射法关系 中子活 朋捌指瑚拨的溅、半摹溯等 同位素和相应的稳定元素 化法与射线特征值的关系 近年来，混凝土结构的无损检测方面( 主要是裂缝检测) 并无新的重大突破。 目前最常用的缺陷检测方法是超声波脉冲法，利用超声波穿过缺陷区时的声时、 波幅、波形的变化作为判断依据；或者是对接收波形信号进行频谱分析，建立频 谱与缺陷的关系，使波形观察量值化，该方法在实际工程中已有较多的应用 4 - 1 。 在混凝土结构裂缝深度检测中还可以利用超声波首波相位反转的方法来判断裂 缝深度1 1 2 1 。该方法能够较快、较方便和较准确地估算出裂缝的深度，而且可以采 用对称和不对称法布置换能器，使得检测更具灵活性，在实际工程检测中有较好 的应用价值。 ( 3 ) 检测仪器 随着测试方法和电子技术的发展，混凝土结构无损检测仪器也发展到了一个 新的水平，超声仪从模拟电路到数字电路，接收部分变成一个完好的瞬态数据采 集系统，并外加数字延时触发及信号叠加增强等功能。激发振源除了小功率发射 外，还有大功率振源，如电火花、锤击和爆破及磁致伸缩振源等。除了进行数据 采集之外，还可以直接进行一些简单的数据处理，随着电子技术及计算机技术的 发展，这种处理能力会越来越强大。传感器系统也越来越完善，高灵敏度及抗干 扰能力强的传感器相继出现，大大提高了检测的精度和效率。 ( 4 ) 缺陷判别 运用应力波在混凝土中的传播特性来检测混凝土缺陷的方法( 超声波法、冲 击回波法等) 在混凝土无损检测中有着广泛的应用，在对缺陷的判别上经历了经 验法和数值判据法。 经验法 a 根据低频超声波在混凝土中遇到缺陷时的绕射现象，按声时及声程的变化判 别缺陷的存在和大小； 第一章绪论 b 根据超声波在缺陷界面上产生散射，抵达接收探头时能量显著衰减的现象判 别缺陷的存在和大小； c 根据超声脉冲波频率成分在遇到缺陷时的衰减的程度不同，接收频率显著降 低，或接收波频谱与发射波频谱产生的差异判别内部缺陷； d 根据超声波在缺陷处的波形转换和叠加，造成接收波形畸变现象判别缺附”】。 数值判据法 为了减少人为因素的影响，许多学者对缺陷判别方法的数值化、定量化进行 了专门的研究【悼1 6 1 。数值判据法，即根据测试值经适当的数学处理后，找到可能 存在缺陷的临界值，作为判断的依据。为此，必须在测定的声参数和存在缺陷的 可能性之间，建立合理的数学或物理模型，以便找出适当的判据形式。目前的数 值判据大致可分为四类： 乱概率法判据 该法是由我国南京水利科学院提出的。该法的基本思想是查出大面积网格测 试值中的统计数值，出现异常值的地方即为缺陷区。该判断方法后来经过完善、 补充，列入了国内各种规章中。概率判断法0 6 - 1 5 1 使对缺陷的判断从无标准的经验 判断上升为统一的，科学的数据计算判断。 b 斜率与差值乘积判据( p s d 判据) 某些结构物，例如混凝土钻孔灌注桩、地下连续墙等，因施工时需灌注水下 混凝土，由于施工因素的影响，往往导致均匀性较差，数据较离散，这时若以数 据标准差为依据检测出异常点有可能出现漏判的情况。针对这些特殊构件，提出 了在连续测量的沿线上声时曲线的斜率与相邻测点声时差值的乘积判据，简称 p s d 判据。其基本思想是在缺陷区往往存在材料不连续或材料性能的变异，因此 在缺陷区的边缘声参数必然产生明显变化，导致该点声时曲线斜率增大，据此可 判断缺陷的存在、性质和大小。 c 多因素概率法判据( n f p 判据) 概率法和斜率与差值乘积都以单一声学参数组成判据，但研究证明，若采用 多项参数( 如声时、波幅、频率等) 进行缺陷综合判断，则可提高判断的灵敏性 和可靠性；基于这种思想，铁道部大桥局科研所提出了一种客观因素( 声时、波 幅、频率) 概率分析法，简称综合判定法或n f p 判据。它将上述三个参数组成 一个综合参数，并分析了综合样本的概率分布函数，然后在该概率密度函数的基 6 河海大学硕士学位论文 础上对样本中的异常值做出判断。 d 多因素模糊综合判据 多因素概率法虽然综合了三个因素，但对三个因素在判断中的权重分配未予 以充分的考虑，容易造成误判。为此，提出了多因素模糊综合判断，即采用模糊 数学的方法对各参数权重进行合理的分配，列出因素集和评判集，并通过模糊变 换做出综合判断。 缺陷无损检测的数值判断是一个十分活跃的研究领域。随着缺陷判断理论和 实践深入，将会有更多的判据形式出现。这种方法能对大量测试数据做出明确的 定量判断。由于计算工作量大，一般都由计算机完成。数值判据使混凝土测试缺 陷技术由原先经验性的判断方法变成了根据实测数值的定量判断，无疑是一大进 步。 以上已利用声时、波幅、频率等信息作为混凝土缺陷的判据。但是，这些信 息只是超声波时域范围内的信息，还有多余信息。为了提高超声检测的可靠性， 必须尽可能地获取接收信号中所带有的各种信息。信息处理技术的运用解决了这 一问题。信息处理和数据处理地含义有所不同。数据处理一般是指对大量测试数 据的分析和处理，从中找出有关的规律，它比较多运用数理统计的知识，例如缺 陷判断的各种数值判据等都属于数据处理的范畴。而信息处理技术则是指对获取 的信号的变化、分离、滤波、分析、存储、记录等方面的技术。信息处理技术在 缺陷检测的原始运用，就是早期利用接收波波形进行缺陷判断。但由于影响的因 素很多，很难简单地直接从波形做出判断。为此，又提出了直接在接收波形上测 读频率或直接通过波形观察检测出相位【19 1 和频率变化点，用以分析一次振源波及 二次振源波的叠加信号，作为缺陷判断的依据。这些方法比波形的简单形状观察 又进了一步；但这种处理方法仍然是初级的。近年来计算机在无损检测中已经大 量运用，因而为信息处理打下了基础，许多信号处理方法正进入混凝土无损检测 领域，例如时域、频域分析已用于脉冲回波法检测；功率谱密度分析已用于超声 脉冲检测。但还有许多信息没有充分利用，所以信息处理技术在无损检测中的运 用，还有待进一步开拓。 7 第一章绪论 1 3 结构无损检测技术发展概况与研究现状 结构的损伤检测问题的提出是较早的，实际上它是伴随着结构物的诞生而产 生的，从方法简单的原始专家经验方法过渡到依靠科学仪器检测的规范方法。随 着结构的老化及病害事例的增多，该项工作的重要性已逐渐被人们认识，随着现 代科学技术的发展，对既有结构物的可靠性评定，已越来越依赖仪器进行检测和 实验了。 传统的损伤检测方法主要包括外观检查、无破损或微破损检测、现场荷载试 验，以及在特殊情况下进行抽样破坏性试验等。一般来说，传统检查的方法难以 获得结构的全面信息，尤其是结构中的隐蔽部位，而且检查结果的准确程度往往 依赖于检查者的工程经验和主观判断，难以对结构的安全储备及退化的途径做出 系统的评估。于是近十年来，国内外学者一直在寻找能适用于复杂结构整体损伤 评估的方法。目前普遍认可的一种最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、智能型传感器等跨学科技术的试验模态分析法， 这种方法在发达国家己被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故障诊断、 荷载识别和动力修改等问题之中【2 0 】。 动力破损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。基于动力 参数对结构进行损伤诊断时，对结构损伤敏感参数的选择是结构损伤诊断结果准 确可靠的保证，这些敏感参数主要包括：固有频率、阻尼比、振型、应变模态、 应变能、频响函数、时域响应等。 1 3 1 基于固有频率的结构损伤检测 1 9 7 9 年，c a w l e y 和a d a m s 2 1 1 最早利用频率数据对结构进行损伤识别，作者 通过特征值对结构物理参数的灵敏度分析，在结构只存在单处损伤的情况下，得 出结构损伤前后，任意两阶频率变化的比值，只与损伤位置有关。 皇生：曼盟：船) ( 1 1 ) 嘲g ，( r ) 一 上式表明任意两阶频率变化的比值只是结构损伤位罱的函数，式中，表示结 8 河海大学硕士学位论文 构的物理参数，作者以一铝制板和碳纤维加强塑料板为对象，通过有限元模拟和 实验证实了这一结论。利用有限元分析，这种方法可以适用于任何结构类型，而 且损伤程度的大小可以通过频率改变的程度加以反映，但这种方法只适用于单处 损伤或虽有多处损伤但损伤程度一样的情况，而且不能区分结构中对称位置的损 伤。 1 9 9 0 年，s t u b b s 2 2 1 根据一阶动态灵敏度分析，推导了频率关于结构物理参数 更为一般的表达式： 口 = 乙) + z ) 一+ z 。 ( 1 2 ) 式中，【f 】为特征值相对结构物理参数的灵敏度矩阵，向量 口 为结构物理参数 由于损伤发生的改变量，右边项则为测得的由于结构物理参数改变而引起的损伤 结构频率改变量。作者以欧拉一伯努力梁为分析对象，忽略质量和阻尼的改变， 利用结构前7 阶频率，计算结构损伤。由于摄动公式中忽略二次高阶项的影响， 在对多个单元存在损伤的情况进行数值模拟时，识别误差明显增大。但注意观察 可以发现，被预测出的损伤大多集中于结构真正的损伤部位附近。最后，作者在 对一空间桁架进行模拟时，将其简化为梁类结构，如果桁架上、下弦杆发生变化， 对应于结构的弯曲变形，用欧拉一伯努力梁理论来分析，如果斜腹杆发生了损伤， 则可以用铁木辛柯梁理论来分析。 1 9 9 1 年，h e a m 2 3 1 指出，结构损伤后，各阶频率变化按与最大频率变化规一 化后，任两阶频率变化的比值，是结构损伤位置的函数： ( 谚) 秭卸( 谚) 等：抵 s ， 巧( 痧，) k 。知( 力) 一 蛾m 牵i 式中，知( 谚) 表示利用振型计算出的损伤单元变形。作者主张将各种损伤情况对 应的频率变化比先计算出来，然后用于预测实验中可能发生的损伤。作者指出， 由于各种不确定的情况，例如桥梁支座条件、结构附属物、杆件不均一、测量噪 声都直接影响这种方法的性能，如果只需对结构中某几个关键杆件进行监测时， 可以选择对这些杆件的损伤比较敏感的模态组。 1 9 9 3 年，h a s i o t i s l 2 4 - 2 s l 建立结构单元刚度下降与结构特征值改变量之间的灵 敏度方程，提出用优化方法来求解对一般结构通常都是欠定的方程组： 9 第一章绪论 d 8 k = 锨( 1 4 ) 式中，8 k 为各单元刚度下降的比例因子组成的向量，对上式进行优化求解，可 以认为是带有等式约束和不等式约束的二次规划问题，约束为： g = 6 k 7 q , ，k + 2 6 k 7 c ( 1 5 ) b k 0 ( i 6 ) 作者以一悬臂梁和十层框架为例，探测到了单处或多处损伤且损伤程度高达 4 0 的单元刚度下降。经过对误差的分析后作者认为，特征值0 4 的误差就可 能导致完全错误的识别结果，损伤程度较大时，同样水平的噪声对识别结果的影 响要小些。 1 3 2 基于振型或应变模态的结构损伤检测 在利用结构动力参数进行损伤检测的研究中，更多的研究致力于同时利用结 构特征值和特征向量来综合分析。频率是表征结构刚度及其它物理参数发生改变 的一个宏观指标，而振型却能更加敏感地反映结构局部的变化。 ( 1 ) 定义损伤参数 1 9 8 5 年，y u e n 2 6 1 对一悬梁进行研究，定义了如下参数： 。= 譬一譬= 譬一警， 识别损伤时，在结构损伤单元处，参数 z ) 和 彰) 都会发生突变， v - ) 在突变 之后又维持线形不变，而 矿 则发生台阶式跳跃，这样突变点就标明了结构的损 伤位置，而突变程度的大小，标明了单元损伤的程度。进一步对高阶振型的研究 发现，形状较为复杂的高阶振型对应的损伤参数不能用于损伤识别。 ( 2 ) 振型及振型曲率法 单独利用振型进行损伤检测方法有p a n d y l 2 刀在1 9 9 1 年提出的振型曲率法。 对于梁类结构，某一截面的曲率可以表示为： v 。= m e 1( i 8 ) 式( 1 8 ) 表明单元刚度与此单元处对应的截面曲率密切相关，从而刚度的下降 可以明显地反映在振型曲率的改变上，并以一有2 0 个单元的简支梁为例证实了 此方法的有效性。此后，国内袁向荣【2 8 l 、徐宜桂1 2 9 l 、郭国会等人也在相应的 数值模拟及实验中证实了此方法的可行性。 i o 河海大学硕士学位论文 只利用结构损伤前后的振型，针对剪切型框架结构，p a n d y 提出了利用结构 损伤前后振型差值的层问变化来识别损伤，并指出利用一阶振型对损伤的识别效 果最好。湖南大学的徐丽则通过实验对这一方法的有效性予以了验证【3 “。 ( 3 ) 残余力向量 1 9 9 2 年，r i c l e s 3 2 1 提出残余力向量的概念，结构损伤后的刚度矩阵和质量矩 阵用损伤前的相应值来代替，则相对于第i 阶振型的残余力向量定义为： 马= ( k 一以坂) 九 ( 1 9 ) 如果结构未发生损伤，那么r ，为0 ，而如果某单元发生了刚度下降，那么这 个单元相应节点自由度的振型分量必然发生较大变化，导致此自由度相应的残余 力较大，从而识别结构损伤位置。作者模拟结果证实，在损伤导致的频率变化很 小的情况下，残余力向量仍能识别出损伤的位置。但值得注意的是，对某一损伤 状况，应多用几阶振型来计算相应的残余力向量，因为如果损伤单元位于某阶振 型的节点上，该阶振型的残余力向量不能很好地反映此单元的损伤。 1 9 9 3 年，b a r u h | 3 3 l 同样利用残余力向量法对一桁架结构进行损伤识别，并分 析了结构模型误差对此方法识别效果的影响。当其中5 个单元存在5 的刚度误 差时，识别效果严重下降，尤其是对于小损伤程度的情况。 湖南大学周先雁i 划通过理论分析与两榀钢筋混凝士平面框架的静动力实验 研究，成功地将残余力向量法用于识别结构的损伤部位，并在识别出结构的损伤 位置后，再用加权灵敏度法来识别结构的损伤程度。 ( 4 ) 系统识别 基于系统识别技术，根据理论分析模型与实验分析模型动态响应之间的差异 来不断修改理论分析模型物理参数，从而识别出结构的真实状况，实现结构的诊 断。最初进行模型修正的文献中，b e r m a n e 掰】，b a r u c h t 3 6 1 和k a b e l 3 7 等都是针对具 体的刚度矩阵元素进行修正，对于损伤诊断而言这种修正基本上是无效的，因为 修正后的刚度矩阵变化难以反映结构的损伤。结构刚度矩阵各元素依赖于结构各 部分的几何形状、弹性模量、连接方式、刚度分布等各种因素，很多情况下修正 后的刚度矩阵只是其频率和振型与实验分析模型比较接近，而并不能对应结构的 实际损伤。1 9 9 0 年，h a j e l a t 3 8 1 则以结构各部分弹性模量、剪切模量为修正对象， 综合使用输出误差法和系统识别法，用非线性优化方法来求解无约束优化问题， 达到修改理论分析模型的目的。 第一章绪论 显然，h a j e l a 的方法更切实际，修正的结果也能反映结构的实际情况，对一 平面桁架结构的数值模拟结果表明，根据优化方法预测出的损伤位置、程度等结 果，依赖于振型阶数的选择，但必要时可用静力变形来代替某些高阶振型。 1 9 9 7 年，d o e b l i n g | 3 9 1 同样利用模型修正法，实现对结构损伤的识别。基本上 所有的模型修正技术，都须选择一组模态来进行，但多数研究时选择结构低阶模 态。d o e b l i n g 认为，高阶模态可能对某些部位的损伤更为敏感而更有用，如果修 正过程中所取的模态对修正意义不大，那么只会增加计算量而对识别结构的真正 物理参数并无多少用处。如悬臂梁，一阶模态储存了大量的能量，而其他结构却 不一定这样，还往往是高阶模态存储了更多能量。鉴于以上评述，很有必要有一 系统方法来指导如何选择模型修正所需的模态组。d o e b l i n g 根据模态应变能的概 念， q = ：1 乃t x 力 ( 1 1 0 ) 主张用应变能的大小，作为选择模态组的标准，并对一空间桁架进行了数值模拟 分析。结果表明，选择相对损伤结构模态应交能大的模态组作为模型修正的比较 值，比采用低阶模态组或对未损伤结构而言模态应变能大的模态组这两种方法都 更为有效。 ( 5 ) 参数优化法 1 9 9 4 年，c a s a s 4 0 1 认为结构的损伤识别可以通过最小化标量误差的途径获得： ，= 芝 一q ( p ) 2 + 芝窆 船( ，) 一谚( p f ) 2 ( 1 1 1 ) 基于这一思想，对四组梁，研究了梁开裂位置、长度、数量、程度与模态参数之 间的关系，并指出边界条件对结果影响很大，而且只利用基频会得出错误的结论， 至少利用两阶频率，才能得到裂缝区域，等效刚度及实际支承的大概情况。这一 实验中，得出结论，认为当日沿整个梁分布保持不变而其值改变时，阻尼比不 变，而未得出裂缝扩展阻尼增加的论断，相反开裂梁的阻尼反而低于未开裂梁， 这一结论对于损伤检测的运动方程中未包含阻尼项是个很好的支持。 关于边界条件对动力分析结果的影响，湖南大学王长新、易伟建f 4 1 】指出，由 于静力分析与动力分析的差异，动力分析中应考虑到梁轴向振动与弯曲振动的耦 合效应，他们从带刚臂梁计算模型的特征值方程出发，构造了支座边界条件及损 伤识别的方法。 1 2 河海大学硕士学位论文 ( 6 ) 刚度和柔度矩阵法 在进行结构损伤诊断时，由于损伤多表现为刚度的下降，很自然地想到要利 用刚度矩阵来判断结构损伤。1 9 8 8 年，p a r k 和l e e 4 2 l 运用损伤结构与未损伤结 构之间的刚度误差来定位损伤，对于大的损伤，此方法非常有效。但g y s i n 4 3 1 认为误差刚度矩阵法只有在包含了足够多的振型，尤其是包含了那些对结构刚度 矩阵影响较大的振型时，此方法才有效。 1 9 9 4 年，p a n d y 和b i s w a s 4 4 l 提出了梁类结构柔度矩阵法来识别结构损伤， 柔度矩阵及柔度矩阵在结构损伤前后的改变量为： f = f 6 k 。矿= ( 1 砰澎 廿= 乃- f , ( 1 1 2 ) 因为在柔度矩阵中，高阶模态所占的份量由于以的增大而迅速减小，因而只用少 数低阶模态即可比较准确地计算柔度矩阵，而且这种方法还无需知道结构的分析 模型。1 9 9 5 年，p a n d y 【4 5 1 等人对上述方法予以了实验证明，表明只要2 - - 3 阶振 型即可识别简支梁的损伤。 国内綦宝晖等m l 用柔度矩阵法，通过数值模拟研究对桁架结构进行损伤识 别，认为在结构损伤较少的情况下，只用一阶振型就可获得满意的识别结果，认 为低阶模态在结构振动中表现出来的杆件应变能特性，是损伤识别中选择模态参 数的依据。 ( 7 ) 灵敏度分析法 f o x 和k a p o o r 【4 7 】较早地提出了特征值和特征向量的计算方法，随后出现了 大量有效计算特征值和特征向量的计算方法，包括重根特征值条件下特征向量的 计算【4 8 删。1 9 9 8 年，m e s s i n a 5 0 1 等人，提出损伤定位保证准则( d l a c ) ： d l a c ( j ) = 蒯 对多个位置损伤情况： 一c ( 1 8 d ) 2 丽揣糟器碉 d l a c 和m d l a c 的值位于0 和l 之间，具有最大值的位置即为结构的损伤位置， 上式的基础为特征值灵敏度分析。 2 0 0 0 年，s h i l 5 1 1 运用基于振型向量的灵敏度分析，论述了m d l a c 的有效性， 第一章绪论 使用不完好的实测振型就能对损伤进行识别或明显缩小可能损伤的单元集合。 l 锄【5 2 】等人经过推导，定义了量测损伤信号砌， 删 = 筹 ( 1 1 1 5 ) 将m d s 与预测损伤信号 相比一致则表明此单元为损伤单元，但此方法假定,pds, 损伤为单个单元，或多个单元但损伤程度相同，此时，m d s i 只是结构损伤位置 的函数而与损伤程度无关，从而实现损伤定位。最后作者以两层平面框架为例， 通过实验分析了框架共1 4 个节点转动刚度下降的损伤识别问题。 1 9 9 5 年，t o p o l e 5 3 1 提出利用损伤结构振型关于刚度矩阵的正交性，通过解联 立方程组求解结构损伤。2 0 0 0 年，s a n t o s 5 4 】则在综合应用损伤结构正交状态灵敏 度及损伤与未损伤结构的混合灵敏度公式，解联立方程组来进行损伤检测。 湖南大学易伟建【5 习采用灵敏度分析法研究钢筋混凝土梁的振动特性与刚度 损伤的关系。邵旭东1 5 6 】在评定桥梁结构的承载能力时，也采用了灵敏度分析法来 确定结构的损伤。 ( 8 ) 应变模态法 1 9 9 2 年，1 5 刀利用应变模态概念对一个五层钢框架进行损伤识别，作者利 用实测损伤结构的一阶振型与未损伤结构的一阶振型相比，结果表明结构发生了 损伤，但却不能给出具体的损伤部位。应变模态比位移模态更具局部化特征，能 够探测结构细微的局部损伤，但实际工程的损伤检测时，无法知道结构确切的损 伤位置，而如果应变传感器偏离损伤区域，应变模态所包含的结构损伤的信息将 减少，从而一定程度上限制了这种方法在实际结构损伤检测方面的应用。 1 9 9 0 年，清华大学李德葆教授【5 8 1 提出用较位移模态对结构损伤更为敏感的 应变模态来识别结构的损伤。 ( 9 ) 模态应变能 c h e n 5 9 1 在1 9 8 8 年最早提出通过计算结构损伤前后的模态应变能( m o d a l s t r a i ne n e r g y ) 来实现损伤单元的识别，结构单元模态应变能的分布，与单元的刚 度和单元对应的振型分量相关。如果某单元发生损伤，那么结构损伤前后此单元 的模态应变能变化应该最大。基于这一思想，1 9 9 1 年，t a e 唧l 对一平面桁架的损 伤进行了识别。研究中发现，某些杆件对某阶振型的m s e 值为0 ，那么用这阶振 型计算出的单元m s e 变化就无从探测结构这些单元的损伤。同样利用单元模态 1 4 河海大学硕士学位论文 应变能的变化，k i m 6 ”，s h i 6 2 - 6 3 1 ，l a w 删分别通过实验验证了这一方法的有效性。 ( 1 0 ) 遗传算法 湖南大学易伟建等6 5 侧引入遗传算法处理振动参数，进行结构的损伤检测。 为了让遗传算法更适用于结构工程损伤检测领域，提出了多父体变量级杂交和变 量微调等新的改进策略，并运用于固端梁的损伤检测，取得了满足工程要求的结 果。在识别过程中，用到的信息有前两阶固有频率及相应振型和前三阶固有频率 及第一阶振型，充分说明遗传算法可以在已知信息不多的情况下找到最优解。 f d s w e l l 6 “ q 也曾用遗传算法来识别结构的损伤位置。 1 3 3 基于其他参数的结构损伤检测方法 除结构的固有频率和振型外，时域响应和频响函数也被不少学者用于结构的 损伤检测。1 9 9 0 年，m a n n a n 6 s 讨论了采用测量频响函数来检测结构损伤的问题。 作者根据损伤前后的频响函数来识别结构刚度矩阵的变化。数值模拟显示，只用 低阶模态的参数还不足以识别结构的损伤位置，高阶模态在识别损伤位置中起着 重要作用。 清华大学李德葆【6 9 j 提出用传递函数对海洋平台结构进行损伤检测，但在工程 实际中，要测试结构