（水工结构工程专业论文）土木工程中结构识别方法的研究.pdf

摘要 = = ! 皇! ! 竺i i 一一。一；i l!ll ! ! ! = 皇= 皇苎= = ! 皇! ! ! = ! = 皇! = 墨 摘要 本文在深入分析现有结构识别方法的基础上，针对观测不完整及数据误差造成的识别困难， 基于三种类型观测数据静力位移观测数据、模态观测数据、时域动力响应数据开展了结构 识别方法的研究。本文的主要研究工作如下： 首先通过对土木工程结构识别方法的发展现状进行研究与总结，认识到观测自由度不完整及 观测数据误差是制约结构识别发展与应用的主要因素，指出在观测不完整及不精确基础上进行结 构识别方法的研究是土木工程结构识别的发展方向，阐述了本文研究的背景及意义，确定了本文 研究的总体思路。 针对广泛存在于结构参数估计、结构损伤识别、大坝参鼓反演、岩土力学反演中的类结构 识别问题基于静力位移观测的结构识别，建立了结构参数识别的部分特征结构分配法。对基 于静力位移结构识别问题的参数分组及可辨识性标准进行了讨论，建立了基于模拟退火单纯形 的完全非线性识别算法。使用部分特征结构分配法对结构参数估计、结构损伤识别、大坝分区弹 模反演问题进行数值模拟，结果表明本文方法在观测不完整及数据误差条件下具有较好的数值稳 定性和鲁棒性。 为了克服柔度阵比较法可能出现错误损伤定位，提出了结构损伤定位的柔度投影法。首先， 通过理论分析证明了柔度投影法对低阶模态参数敏感的特性及其损伤定位原理：其次，根据模型 缩聚和振型扩展对柔度投影法定位能力影响的对比研究将柔度投影法与多目标优化振型扩展算 法结合使用，实现了观测自由度不完整条件下的结构损伤定位；最后，在统计意义的框架下定义 了加权柔度投影误差，解决了数据误差条件下的损伤定位问题。通过对典型结构的数值模拟研究 表明，本文建立的柔度投影法能够在观测不完整、不精确条件下有效地解决结构损伤定位问题。 在柔度投影法的基础上，建立了基于观测柔度阵的结构损伤识别方法。从观测柔度阵出发， 提出了结构识别的部分特征结构分配识别模型，建立了识别问题的线性化、拟线性化和完全非线 性算法，并通过对三种算法的对比研究，确定了用于结构损伤识别的完全非线性识别算法。将结 构损伤识别的完全非线性算法与柔度投影法结合，利用频率观测数据较为精确的特点，使用混合 法研究了数据误差条件下的损伤识别问题。 地震动作用下的时域识别技术是结构识别领域的一个重要研究方向。针对观测自由度不完整 的剪切型结构，建立了地震动输入和未知结构参数的复合反演方法，本文所建立的方法分为两个 阶段：地震动子结构反演和单元结构参数识别。首先，使用子结构识别技术，研究了未知参数、 观测不完整条件下的地震动输入反演问题，建立了未知输入的最小二乘估计算法；其次，在估计 地震动输入的基础上，使用广义k a l m a n 滤波器方法，识别全部单元结构参数。研究结果显示， 复合反演的两阶段方法能够为结构无损检测和状态评估提供理论依据。 关键词：结构识别；结构损伤： 结构参数：静力位移：观测柔度阵；地震动： 部分特征结构分 配：完全非线性：柔度投影法：子结构；最小二乘估计；f - y k a n t m a n 滤波器 摘要 a b s t r a c t i no r d e rt oo v e r c o m et h ei d e n t i f i c a t i o nd i 舒c u r i e sc a u s e db ym e a s u r e m e n t i n c o m p l e t e n e s sa n dd a t a e l - f o r , t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt os t u d yt h em e t h o d sa n da p p l i c a t i o no fs t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o ni nc i v i l e n g i n e e r i n gu s i n g t h es t a t i cd i s p l a c e m a n t , t h em o d a ld a t aa n dt h e r e s p o n s ei nt h et i m ed o m a i n b a s e do nt h ee x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o no ft h el i t e r a t u r e ，r e s e a r c hs i m a t i o no fs f f u c t u r a li d e n t i f i c a t i o n i nc i v i le n g i n e e r i n gw a ss u m m a r i z e d ，t h ei n c o m p l e t ea n dn o i s ym e a s u r e m e n tw a sr e a l i z e dt h em a i n a d v e r s ef a c t o rt oh a m p e rt h ed e v e l o p m e n to fs t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o n s t u d yo nt h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d w i t ht h ei n c o m p l e t ea n d n o i s ym e a s u r e m e n tw a s t h er e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e t h es i g n i f i c a n c eo f t h i sd i s s e r t a t i o nw a s e x p o u n d e da n d t h er e s e a r c hs c h e m ew a sd e t e r m i n e d a i m i n g a tt h es t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o np r o b l e mb a s e do nt h es t a t i cd i s p l a c e m e n te x t e n s i v e l ye x i s t i n g i nc i v i le n g i n e e r i n g , t h ep a r t i a le i g e a s t r u c t u r ea s s i g n e dm e t h o dw a sp r e s e n t e dt oi d e n t i f yt h es t r u c t u r a l p a r a m e t e r s t h e nt h ep a r a m e t e rg r o u pa n di d e n t i f i a b i l n yc r i t e r i o n sw e r ed i s c u s s e d t h ei d e n t i f i c a t i o n a l g o r i t h mb a s e do n t h es i m u l a t e da n n e a l i n g - s i m p l e xs h a p e a l g o r i t h mw a sp r o p o s e d s e v e r a ln u m e r i c a l e x a m p l e so fs t r u c t u r a lp a r a m e t e re s t i m a t i o n ，s t r u c t u r a ld a m a g ei d e n t i f i c a t i o n , d a mp a r a m e t e ri n v e r s i o n a n dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gw e r ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a dt h eg o o dn u m e r i c a l s t e a d i n e s sa n dr o b u s t n e s st or e s i s tt h ed a t ae r r o rw i t ht h ec o n d i t i o no ft h ei n c o m p l e t ea n dn o i s y m e a s u r e m e n t i no r d e rt oa v o i dt h ep o s s i b l ee r r o ro fd a m a g el o c a t i o nb yt h ef l e x i b i l i t yc o m p a r i s o nm e t h o d ，t h e f l e x i b i l i v yp r o j e c t i o nm e t h o dt ol o c a t et h ed a m a g ew a sp r o p o s e df i r s t l y , t h es e n s i t i v ep r o p e r t yt ot h e l o wm o d e sa n dt h el o c a t i o n p r i n c i p l e o ft h ef i e x i b i l i v y p r o j e c t i o nm e t h o dw a st h e o r e t i c a lp r o v e d s e c o n d l y ，b a s e do nt h ec o m p a r a t i v es t u d yo nt h em o d e lr e d u c t i o na n dt h em o d es h a p ee x p a n s i o n ，t h e f l e x i b i l i t yp r o j e c t i o nm e t h o dw a sc o m b i n e dw i t ht h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m u mm o d es h a p ee x p a n s i o n a l g o r i t h mt oa c h i e v e t h ed a m a g el o c a t i o nw i t ht h el i m i t e dm e a s u r e m e n t f i n a l l y , t h ew e i g h e df l e x i b i l i t y e r r o rw a sd e f i n e do nt h ef r a m eo ft h es t a t i s t i c a lm e a n i n gt os o l v et h ed a m a g el o c a t i o np r o b l e mw i t ht h e c o n d i t i o no fd a t ae r r o r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do nt h et y p i c a ls t t u e t u r e s ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a tt h ef l e x i b i l i t yp r o j e c t i o nm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yl o c a t et h ed a m a g ew i t ht h ei n c o m p l e t ea n d n o i s ym e a s u r e m e n t o nt h eb a s i so ft h ef l e x i b i l i t yp r o j e c t i o nm e t h o d ，t h em e t h o do fd a m a g ei d e n t i f i c a t i o nu s i n gt h e m e a s u r e df l e x i b i l i t yw a sp r o p o s e d b a s e dt h em e a s u r e df i e x i b i l i v y , t h ei d e n t i f i c a t i o nm o d e lo f t h ep a r t i a l e i g e n s t r u c t u r ea s s i g n m e n tw a sp r e s e n t e d t h el i n e a ra l g o r i t h m ，t h ep s e u d o l i n e a ra l g o r i t h ma n d t h ef u l l y n o n l i n e a ra l g o r i t h r nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o m p a r a t i v es t u d i e sw e r ec a r r i e do nt h ea b o v ea l g o r i t h m s t h e f u l l yn o n l i n e a ra l g o r i t h mw a sd e t e r m i n e d t os o l v et h ei d e n t i f i c a t i o np r o b l e mb a s e do nt h em e a s u r e d f l e x i b i l i t y b yu s i n go f t h ef r e q u e n c y , w h i c hi sm o r ea c c u r a t et h a nt h em o d es h a p e ，t h ef u l l yn o n l i n e a r i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mu s i n gt h ef r e q u e n c yd a t aw a sc o u p l e dw i t ht h ef l e x i b i l i t yp r o j e c t i o nm e t h o d t o e s t i m a t et h em a g n i t u d eo fd a m a g ei nas t r u c t u r e a tp r e s e n ts t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o ni nt i m ed o m a i ne x c i t e db yg r o u n dm o t i o ni s a l l i m p o r t a n t r e s e a r c ht o p i ci nc i v i le n g i n e e r i n g at w o s t a g em e t h o d ，w h i c hc a ne s t i m a t es t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd o w n t ot h ee t e m e n tl e v e lb a s e do ni n c o m p l e t er e s p o n s ed a t aa l o n ew i t h o u tm e a s u r i n gt h ei n p u te x c i t a t i o n s ， w a s p r o p o s e d t h em e t h o d c o n s i s t so f t w os t a g e s ：s u b - s t r u c t u r a li n v e r s i o no f g r o u n dm o d o n u s i n gl e a s t - s q u a r ee s t i m a t i o n ，a n dp a r a m e t e ri d e m i f i c a t i o nu s i n ge x t e n d e dk a l m a nf i l t e r f i r s t l y , t h ei n v e r s i o no f t h eg r o u n dm o t i o nw i t ht h eu n k n o w np a r a m e t e r sa n dl i m i t e dm e a s u r e m e n t sw a ss t u d i e db yt h es u b s t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o n ，a n dt h el e a s t - s q u a r ea l g o f i t h mo fu n k n o w ni n p u tw a sb u i l t s e c o n d l y ，b a s e do n t h ee s t i m a t e di n p u t s b u c t u r a lp a r a m e t e rd o w nt ot h ee l e m e n tl e v e lw a si d e n t i f i e di nt i m ed o m a i nb y e x t e n d e dk a l m a nf i l t e ra l g o r i t h m s e v e r a lc a s e so fa6 - s t o r yf r a m es t r u c t u r ea r en u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dt w o s t a g ea p p r o a c hc a l le f f e c t i v e l yi d e n t i f yt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e rf r o m i n c o m p l e t em e a s u r e m e n t s k e y w o r d s ：s t r u c t u r a l i d e n t i f i c a t i o n ；s t r u c t u r a ld a m a g e ；s t r u c t u r a lp a r a m e t e r ；s t a t i cd i s p l a c e m e n t ； m e a s u r e df l e x i b i l i t y ；g r o u n dm o t i o n ；p a r t i a le i g e n s t m c t u r ea s s i g n m e n t ；m l l yn o n l i n e a r ；f l e x i b i l i t y p r o j e c t i o nm e t h o d ；s u b s t r u c t u r e ；l e a s t - s q u a r ee s t i m a t i o n ；e x t e n d e dk a l m a n f i l t e r 第一章绪论 第一章绪论 摘要：本章首先介绍了论文选题的工程背景及意义：其次，回顾了结构识别在土木工程领域的发展历 史：再次，概述了结构识别的基本理论井对主要的结构识别方法进行了较为详细的评迷；最后。叙 述了本文的主要研究内容。 关键词：土木工程：结构识别；观测数据不完整：观测数据误差；不适定；非线性 1 1 课题的工程背景及意义 建国咀来，国家在基本建设上投入了巨大的资金，取得了丰硕的成果，尤其是改革开放2 0 年来，随着综合国力的增强，各项事业蓬勃发展，重大基础性建设成就喜人，举世瞩目。资料显 示，我国每年建成的l o 层以上的高层建筑面积在1 0 0 0 万平方米以上。据不完全统计，目前我国 仅高层钢结构的总建筑面积就达到了3 0 5 0 9 万平方米，一些标志性超高层建筑的建成，比如上 海的金茂大厦( 8 8 层、高3 6 5 米) 和环球金融中心( 9 5 层、高4 6 0 米) ，标志着我国高层建筑的 水平已经跨入了世界前列，也从个侧面反映了我国城乡建设的飞速发展。 改革开放2 0 年，我国建成永久性公路桥梁2 2 4 万座，产生了大批以大跨径公路桥梁建 设为中心的高水平科技成果，具备了修建世界上各类桥型的能力。目前我国已建成主跨在2 0 0 米 以上的桥梁2 i o o 座，主跨在4 0 0 米以上的桥粱3 0 座，主跨在6 0 0 米以上的大跨径桥梁1 2 座， 已在大跨径悬索桥、斜拉桥、拱桥等各种结构形式的特大型桥梁设计建设中取褥了成功的经验。 中国自古以来就是一个水利大国，古代一些著名的水利工程为人类文明史写下了灿烂辉煌的 篇章。1 9 4 9 年新中国成立以来，党和政府对水利事业给予了高度重视，领导全国人民进行了大 规模的水利水电工程建设。5 0 年来，全国共建成了各类大坝约8 6 万余座，数量居世界首位。中 国在国际大坝委员会登记的大坝( 坝高大于1 5 m ) 为3 万多座。在新世纪，中国水电建设将迎来新 高潮。在实施西部大开发战略中我国西部，特别是西南地区的水电宝藏将得到加快开发，实现 “西电东送”，促进全国联网，使我国能源结构更趋合理。即将开工建设的大型水电站有：龙滩、 小湾、公伯峡、三板溪、洪家渡等。在此基础上，将全面开发金沙江、雅砻江、大渡河、澜沧江、 乌江、红水河和黄河上游水电资源，形成南、中、北三条“西电东送”大通道。 在欣喜地看到我国基础建设取得重大成就的同时，也应该对我国的建设现状有一个清醒的认 识。在已有的建( 构) 筑物中，l b 有建筑仍然占有很大比例，随着时间的推移将有大量建筑物 达到或超过其设计基准周期。特另是一些修建于五、六十年代的建筑，由于设计、藏工质量和管 理方面的原因，都存在着不同程度的破损。中国建筑科学研究院对我国建筑物耐久性的调查表明， 工业建筑的破损比较严重，结构的使用寿命一般不能保证5 0 年，多数在2 5 年3 0 年就必须进行 大修或加固。而冶金部建筑研究总院1 9 8 5 年对我国重点钢铁企业建筑检查后推断，全国三级 工业建筑共有约3 0 0 5 0 0 万平方米，占工业建筑的1 0 1 1 ，其中危险建筑3 0 4 5 万平方米t 占三级工业建筑的】o 1 5 r 2 j 。这些危险建筑中的梁板裂缝、火灾后混凝土的过火、钢结构的开 焊以及结构件中存在的内部缺陷，会使整座建筑倒塌，造成巨大的经济损失，甚至会造成人员的 重大伤亡。我国桥梁大部分为建国后所造，桥龄一般在3 0 年以内，危害问题尚未到大量暴露之 时但值得注意的是目前已有不少桥梁发生老化、破损、裂缝等现象，危桥逐年增多，蓊重髓力 明显下降。桥梁是确保公路和铁路畅通的咽喉，其承载能力和通行能力又是贯通全线的关键。危 桥一旦发生垮桥事故，造成的损失十分巨大。我国大坝建设的高速发展期在上个世纪5 0 年代后 期到7 0 年代在这一时期太坝的数量急剧增加，建成了新安江、密云、三门峡、柘溪、新丰江、 丹江口、刘家峡等大批水库水电站。但是这个时期，由于许多大坝建设采用群众运动的方式，技 术措施不到位，管理混乱，使得很多工程遗留了不少问题，往往在实际运行中出现了结构老化和 病害等现象，直接危害大坝的安全运行，给水坝下游的工农业生产和人民生命财产安全带来严重 的威胁。 以上现状表明，缆国基础设旌建设由于忽视耐久性造成了诸多安全阀题。据专家估计，在凌 国“大干”基础设施工程建设的高潮还可延续2 0 年的同时，迎接我们的还会有“大修”2 0 年的 高潮，这个高潮可能不用很久就将到来，其耗费将倍增于当初这些工程施工建设时的投资。针对 我国基础设施建设中存在的安全质量问题，如何通过一定的技术手段对土木工程结构的健康状况 徽出合理科学的评佶和监控，并采取对应的措燕以保证瘸害结构的安全运行，已经成为了一个急 待解决的问题。 对大多数士木工程结构而言，一定程度的带伤工作是允许的故而现有的结构安全评估工作 多半是属于结构可靠性评估的研究，涉及土木工程结构缺陷识别原理和检测方法的研究开展的还 比铰少。虽然，目前已经发展了一些比较先进的结构检测方法并且研制出了提应的测试仪器，但 是，这些方法都是一些可视或局部的试验方法，比如，裂缝检测的声发射或超声发射方法、裂缝 分析的磁方法、混凝土缺陷检测的雷达技术、混凝土微裂缝检测的x 射线技术和温度测量的远 红外成像技术等。所有这些1 坝4 试方法都需要预先已知结构缺陷的大体位置，并且要求检测仪器能 够到达缺陷区域，由于这两方蕊的限截，这些检测方法只探测到结构表耍或表菌附近的裂纹， 不易于探测结构内部或仪器难以到达的结构隐蔽部位的缺陷不利于进行大型复杂结构的检测工 作。 为了弥补当前结构无损检测方法存在的缺陷，近年来开展了结构健康诊断的结构识别方法的 研究。结构的响应数据( 频率、摄型、位移和应变等) 是结构物理特性( 质量、阻尼和刚度) 的 函数，结构物理特性的变化将在结构响应数据的变化上得到反映，结构识别的基本思想正是利用 了结构物理特性与响应数据之间的这种关系来评估和监控结构状态的。结构识别技术在现代工程 中的应用可以追溯到上个世纪6 0 年代，航空、航天工业开始利用结构识别方法验证结构有限元 计算模型，获得了良好的效果。照羞计算枫技术和现代测试与信号处理技术的飞速发展，结构识 别的应用领域也在不断拓宽，并以其经济有效、可以反映结构整体性能、能够探测结构隐蔽部位 缺陷的优点在机械等领域内得到成功应用。结构识别方法已经引起了木工程界的广泛关注，并 且正在积极开展这方面的研究工作。结构识别技术在土木工程结构状态评估和监控中的应用主要 包括以下两个方匾： 1 。结构模型验证和修改 结构模型试验数据和结构数值模拟结果一般存在很大的差异，形成这种差异的原因是多种多 样的。首先，由于结构建模过程的一些简化假定( 边界和支承条件、不同单元的连接、未知的材 料特性和本构关系、能量耗散机制等) ，造成结构分析计算模型与实际结构存在一定的差异：其 次，在结构设计中，为了抵御自然灾害( 地震、飓风和洪水等) 和结构老化、病害对结构造成的 2 第一章绪论 影响，设计者通常采用保守的设计思想( 即高估结构系统的安全要求和低估结构构件的承载能 力) ，通过增大结构尺寸和重量的方法来保障结构的安全，从而增加了人力、财力与资源的消耗； 再次，由于旧有结构物的损伤。造成结构尺寸和材料性能的变化，使用于结构设计的理论计算模 型( 模型参数和本构关系) 难于预测实际结构的真实状态，不利于对结构损伤的原因、位置和程 度等做出合理科学的估计，无法对结构的完整性、设计功能和结构耐久性做出定量的评价。 针对实际结构观测数据和分析，计算模型预测响应不一致的问题，需要使用结构识别方法， 对结构分析计算模型和结构试验数据进行相关性研究，然后。再使用相关性研究的结果来修正 分析计算模型，使结构模型能更加精确地预测实际系统的响应，为结构可能出现的失效路径和 模式提供一定的参考依据。例如，在岩土工程中，由于岩土材料具有非均匀、非线性和不连续的 特性，在岩土工程数值模拟中出现了输入参数( 岩土力学参数和初始应力场) 和材料本构关系给 不准的问题，造成数值模拟结果不可信。但是，以现场量测信息( 位移、应变和应力等) 为基础 的反演分析方法，就可以有效地解决以上的问题。通过参数识别的方法改进岩土力学计算模型口 。 再比如，在结构计算分析中，由于不考虑填充墙的作用，通常认为柱子在地震作用下会发生弯曲 破坏，实际中其破坏形式却是因短柱效应而发生剪切破坏【4 】。如果进行结构的振动铡试，对结构 模型进行相关性研究，就能正确预测短柱的失效模式。 2 结构状态评估和监控。 结构状态评估就是确定结构状态的过程，它通常是指对结构缺陷、结构完整性、设计功能和 结构耐久性所做的定量的评价。结构状态监控是指利用结构识g q 方法来不断获取有关结构状态信 息的过程。 基于结构识别的结构状态评估和监控技术可以通过结构试验有效地识别结构内部损伤的存 在、位置和程度。例如，对年久失修的危险建筑物进行定期测试，根据测试结果和改进的结构模 型，通过分析结构刚度、阻尼和模态的变化以及各变化量对结构参数的位置和程度的影响，判定 结构的安全程度。此外，还可以通过在施工过程中安装固定的传感器装置，在结构投入正常使用 后，完成结构的在线健康监测，利用长期的结构响应观测，通过结构识别确定结构物理特性的变 化，以此来判断结构的安全程度。又例如，运行中的水坝一般都有一套监测大坝变形、渗流和温 度的长期观测系统，依据太坝的长期观测数据，通过系统识别的方法反演得到大坝的分区弹模、 渗流系数和导温系数等参数。根据反演分析的结果，在水位、温度、扬压力等载荷综合作用下， 求出大坝实际位移，与大坝观测值进行比较，据此来判断太坝的安全，从而一方面对病险坝的处 理提供科学依据，另一方面使大坝在确保工程安全的前提下，充分发挥工程的效益。结构状态监 控在大坝安全监测中已经得到了成功的应用【5 】。 正是由于土木工程结构识别具有如此重要的应用价值，近年我国在土木工程结构识别的研究 上加大了科研投入的力度，国家九五攀登b 计划子课题“高层建筑安全性检测与监测系统”以及 2 0 0 1 年国家自然科学基金水利学科重点基金“重大水工混凝土结构健康诊断理论、方法及预警 系统”均将土木工程结构识别的研究做为重要内容，这说明结构识别已经成为了土木工程领域的 一个重要研究方向，处于土木工程科学研究的前沿。但是，由于人们认识水平、试验测试技术和 现场条件的限制，结构识别研究仍然受到以下因素的制约而进展缓慢： 1 结构模型的不完备 一般地说，人们对于客观系统中现象的描述或预测总是在一定的基本条件下进行的，在某些 3 大连理工大学博士学位论文 规定的基本条件下，将客观系统抽象为具有一定模型形式和参数的数学模型。针对具体的土木工 程结构系统，在模型化的过程中，由于系统的复杂性而引起的系统阻尼机制、摩擦系数、非线性 特性等的随机性，由于结构的复杂性而引入的结构联接和边界条件等的简化假定，由于制造环境、 技术条件、材料的多相特征而引起的材料弹性模量、洎松比、密度等的不确定性，都使得结构模 型不能够准确地反映结构内部的每一个细节，表现为结构模型的不完备性。由于科学研究的不 断进步，只要有新的试验方法能够减少试验的不精确性，新理论和新模型就会产生，从而允许对 观测进行更精确地解释，这也是通过结构识别方法改进结构模型的基本目的。由于这个原因，若 没有对模型不完备带来的误差进行仔细分析，通常不能正确处理结构识别问题。 2 观测数据的不完整 大多数结构识别方法假定结构模型自由度与观测自由度相同，然而在实际工程中，由于条件 所限，下面一些情况会造成观测数据的不完整：( 1 ) 结构测试传感器只能布置在有限的饺置上， 特别是对于较为大型的结构，传感器的数量就更为稀疏：( 2 ) 观测数据的不完整不但与结构的复 杂程度有关，而且与结构形式有关，对于包含受弯构件的结构，其旋转自由度的响应在实际中是 无法直接观测得到的：( 3 ) 在结构振动试验中，由于激励方式、数据采样率和滤波的限制，只能 获取有限频率范围的模态数据” 。不完整的观测数据无法给结构识别提供充分的有用信息，常常 造成识别问题只能在信息欠定条件下求解，加剧了识别问题的不适定程度，使得结构识别问题的 求解更具挑战性。 3 观测数据的不精确 在观测数据的采集和处理过程中，测试电子信号的随机噪声、传感器附加刚度和质量带来的 系统误差、信号处理或识别技术不精确造成的误差，统统被认为是观测数据误差。此外，为了在 结构识别中使观测自由度与模型自由度相匹配，采用模型缩聚和响应数据扩展的方法而引入的误 差，在某种程度上也可以看作是观测数据误差。数据误差的存在可能会掩盖因结构特性改变而引 起的结构响应的改变，导致结构识别无法得到合理的解答。 基于以上的分析可知，在结构识别的研究中，结构模型的不完备、观测数据的不完整和不精 确是无法避免的、本质的，是所有结构识别方法都必须面对问题，也是制约结构识别发展与应用 的“瓶颈”。结构识别是土木工程中一个新兴的研究方向，尚未形成统一的求解理论与方法，还 处于发展的起步阶段，目前的一些方法还无法较好地解决观测数据不完整、不精确条件下的结构 识别问题。所以，本文基于这样一种背景，将重点开展观测数据不完整、不精确条件下结构识别 方法的研究。 1 2 土木工程结构识别的发展历史 土木工程结构识别的思想雏形与结构工程的发展历史一样悠久。古代桥梁建筑师们的工作中 已经包含了结构识别的基本思想：首先对建造的桥梁进行强度计算，然后通过特殊的方式来观察 桥梁的变形，最后根据计算和观察相比较的方式来确定桥梁的结构模型。 l i u 和y a o 【8 】于1 9 7 8 年在土木工程领域率先提出了系统识别的概念，自此许多研究者开始致 力于这方面的研究工作。近年来，随着能够满足结构识别应用要求的强大的试验和分析工具的出 现，使得结构识别技术在土木工程领域的广泛应用成为了可能叫。土木工程结构识别在不同结构 中的应用成果不姓枚举，但是目前大多数的应用都只停留在研究阶段，而没有达到商业应用的水 4 第一章绪论 平e 下面对木工程结构识别在不同领域的应用作一简单介绍，以便全面了鳃土木工程结构识别 的发展水平。 1 2 1 海洋石油平台 海洋石油产业开创了结构识别技术在土木工程中应用的先河。上个世纪7 0 和8 0 年代，海洋 石油业投入巨额的资金用于海洋采油平台损伤探测和健康监测的研究工作，主要开展了结构比例 模型的试验研究，同时也进行了一些现场观测研究。 海洋石油平台结构识别研究最早是基于频率观测展开的。v a n d i v e r f l o , i l 】进行了海洋石油平台 的试验研究，通过去除构件的方法来模拟实际的结构损伤，然后根据平台前三吩频率的变化识别 结构特性的变化。研究发现，平台储油罐中液体的晃动对结构自振频率产生一定的影响，但是这 种影响小于由于构件去除对结构产生的影响，说明通过频率改变可以探测到平台构件的破坏。 b e g g ! ”】等则研究了损伤程度与结构频率改变之间关系，通过裂纹和构件去除来模拟不同程度的 损伤，发现去除构件会使结构自振频率发生5 3 0 的改变，但是构件内部的裂纹不会对采油平 台的自振频率产生影响。最近，b r i n c k e r 等 1 3 】的研究工作进一步证实了结构内部一定程度的损伤 所造成平台自振频率的改变是可以通过观测获得的。 在基于频率观测识别方法的基础上，l o l a n d 和d o d d s i “) 将振型数据用于结构识别的研究，发 现扳型数据能够提供结构状况的空间信息，同时还发现损伤对频率改变的影响比结构质量改变对 频率改变的影响大。r o i t m a n 和v i e r o ! ”1 基于振型观测，在采油平台比例模型试验研究中利用模 态振型的变化探测到了导管接点的损伤。 由于采油平台所处的环境较为恶劣和复杂，在结构识别的研究中必须考虑环境因素的影响。 w o j n a r o w s k i 等【6 1 研究了各种因素对结构识别特性特别是模态特性的影响，结果表明平台基础 壤特性的改变对平台响应产生较大的影响。k e n l e y 和d o d d s t l 7 1 通过研究发现，结构模态特性对结 构刚度特性变化不太敏感，只有当刚度特性发生5 以上的变化时才能识别结构的模态特性。 n a t e r a j a l i a 于1 9 8 3 年开发了一套用于北海采油平台结构识别的监测程序，监测结果表明甲板质量 对识别特性有重要影响，但是，在检测期间没有显著的损伤发生，损伤对结构特性的影响没有监 测到。w h i t t o m e 和d o d d s t ，”对一个平台进行了长达两年半的动力特性监测，发现损伤引起的频 率变化要比由于结构周围环境变化造成的频率改变来得显著。十年前，m a r t i n e z 和q u i j a d a t 2 0 l 在 委内瑞拉进行了平台的模态测试，测试采用了环境、冲击和脉冲的激励方式，通过对比研究发现， 环境激励比较适合平台的结构识别研究。 以上研究表明，在观测数据中提取敏感的特征量对海洋平台损伤识别是至关重要的，在建筑 结构上容易获取的模态频率，却对海洋石油平台的损伤形式反映的极不敏感，为了得到可靠的识 别结果，通常需要将振型观测提供的结构响应空间信息作为补充。研究还表明影响结构识别准 确性的主要因素来自于海洋平台所处的环境，机械设备噪声、恶劣的环境条件、结构上生长的海 洋生物、结构基础随时间的变化都会对识别的结果产生很大的影响。 1 2 2 桥梁 进行结构识别研究较多的另外一个领域是道路交通工程。在过去的二、三十年间，发生了多 起桥梁倒塌的灾难性事故。据统计，全美国共有5 0 0 ，0 0 0 座桥梁，其中大概约有2 0 0 ，0 0 0 座存在 5 一 銮鎏：三奎兰竺圭兰竺鲨三 安全隐患，每年发生1 5 0 2 0 0 起大桥垮塌的事故。这些事故促使人们去研究开发桥粱健康自动 监控系统，而结构识别则是现代桥梁健康自动监控系统的一个重要组成部分，其在桥梁道路工程 中的应用正在迅速发展之中。 早期，主要是以v a n d i v e r _ 【t o , n 和b e g g 等m 1 的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测 桥粱结构的损伤。k a t o 和s h i m a d a t 2 1 】在进行预应力混凝土桥的失效试验研究时，通过环境振动方 法识别了桥梁的振动特性，测试结果表明，在静力载荷达到极限载荷时，桥梁的自振频率将有所 降低，但是阻尼值却没有受到大的影响。s p y r a k o s 等【“j 进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试 了模型粱在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态 特性有确定的相关性。但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。研究同时表明，用频率 预测严重损伤结构的剩余寿命是可行的。 a l c t a n 等【纠则从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态 柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度做为损伤指针的可靠性。研究结果表明，当模态测试包括 了1 8 阶模态后。由于模态截断造成的观测柔度误差仅在2 左右，可以使用观测柔度校准f e m 模型，然后在基线数据无法获得的条件下评估桥梁的实际状态。 除了这些较为零星的工作以外，美国通过i - 4 0 桥梁项目和a l a m o s a 峡谷项目的实施，对桥 粱健康诊断中的结构识别方法进行了系统的研究。f a r r a r 等对横跨美国新墨西哥州r i og r a n d 河流的1 - 4 0 桥进行了损伤探测的试验研究。首先利用环境激励和标准力激励方式对未损伤桥梁 进行了模态测试，然后用切割机在一个主粱上面切口来模拟桥梁的损伤，根据不同的切口深度来 区别损伤程度，最后对不同损伤情况的桥梁进行了模态测试。根据不同损伤阶段的模态参数，分 别使用了几种损伤识别算法进行缺陷识别。结果显示，桥梁弯曲刚度程度较大的变化会使观测频 率产生不确定的改变，因此频率对桥粱的损伤不够敏感不能作为损伤的指针。但是，试验结果 表明振型数据对损伤较为敏感。s t u b b s 等p 】也对1 - 4 0 桥进行了损伤识别的研究，利用振型曲率 计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥粱的损伤。这种算法能在未知结构材料特性 的条件下进行结构损伤定位。f a r r a r 和j a u r e g u i t 2 6 , 2 。7 1 仍然以1 - 4 0 桥为对象- 通过进一步的研究认 为，振型数据对损伤定位和定量的研究能提供更加有用的信息。f a r r a r 和d o e b l i n g 等【2 8 1 0 】在 a l a m o s a 峡谷项目的研究中，对位于南墨西哥州t r u t h 小镇的一个使用6 年的桥梁进行了短期监 测，重点研究了桥梁在2 4 小时内识别结构参数的统计特性。 最近，我国也开展了一些桥粱健康诊断的研究工作，秦权等口”】以香港青马大桥为背景， 对桥粱健康监测中的模态识别、损伤识别、传感器优化布置和误差分析等问题进行了研究，为青 马大桥健康诊断系统的实现提供了一定的理论依据。 总结已有的研究成果可以发现，桥梁损伤探测和状态监控多是在频率观测数据的基础上展开 的，但是最近的研究工作表明，仅使用频率数据进行桥粱结构的识别是不充分的，振型数据是更 为灵敏的损伤指针。同时，在桥梁结构识别中，尚未发现阻尼的变化对损伤探测有所帮助。 1 2 ，3 建筑物 建筑物的地震输入研究是结构识别在建筑结构中应用较为广泛的一个领域。1 9 7 0 年以前， 很少在建筑物上布置仪器来记录结构在地震作用下的响应。在1 9 7 1 年的s a nf e m a n d o 地震中 人们获得了大量的地面加速度记录和5 0 座建筑物的结构响应记录p 4 1 。根据这些地震记录，进行 6 了模型的相关性研究，建立了一些结构模态参数和物理参数的识别方法。自s a nf e m a n d o 地震以 来，又不断获得了一些地震观测数据，在此基础上，发展了更多的结构参数识别方法来进行数值 模型和响应观测的相关性研究【3 ”。地震