基于动力的结构损伤识别方法(共10页)

1、 基于动力的结构(jigu)损伤识别方法(fngf)研究(ynji)综述摘要：结构损伤识别问题是桥梁健康监测的基础和重要组成部分，其对于桥梁结构的安全性和可靠性具有重要的影响，在众多的结构损伤识别方法中，基于动力的结构损伤识别方法凭借其一系列独特的优点成为当前国内外研究和发展的热点。该研究能适合工程实际应用，并且损伤识别结果可靠准确，该方法具有十分重要的现实意义。本文介绍了国内外近年来较为成熟的结构损伤动力特性识别方法。关键词：损伤识别；健康检测；动力特性Research on Structural Damage Identification Based on DynamicAbstract：

2、Structural damage identification is the basis and important part of bridge health monitoring, and it has an important influence on security and reliability of the bridge.Among the numerous methods of structural damage identification,the structural damage identification method based on dynamic with i

3、ts unique advantage is becoming a hot spot of current research and development at home and abroad.This study can be suitable for engineering application,and the damage identification result is reliable and accurate,the method has very important practical significance.Some mature methods of structura

4、l damage identification based on the dynamic characteristics at home and abroad in recent years were introduced in this paper.Key words：Damage identification;Health detection;The dynamic characteristics0 引言结构损伤识别不仅仅是单纯意义上的对损伤的诊断和修复，它更积极的意义在于使人们重新认识结构的特征，并指导设计人员对以后的类似结构进行修改和重新设计。在工程上，大部分结构损伤的产生都是由于长期

5、外界因素的作用而累积形成的疲劳失效。损伤的位置可能是受影响最剧烈的位置，可能是自身的材料缺陷导致，也可能是结构设计中最薄弱的环节，这些因素往往是结构设计中没有考虑到的。从这个角度上来看，损伤识别的结果可被用于探寻结构中较刚度和强度薄弱的区域，对结构的后续设计具有重大的指导意义。此外，我国正处于社会建设的全面发展时期，大批原有的工程结构需要进行损伤评估。对于轻微损伤的结构，进行及时的补救，使之满足生产生活的需要；对于严重损伤的结构，进行二次再利用，发挥其仍有的价值。这与现如今提出的绿色、节能、低碳的可持续发展战略也是相适应的。因此，损伤识别不仅是一门重要的实验科学，同时对现今社会的发展也具有重大

6、的实际意义。完整意义上的结构损伤识别包含以下四个任务：(1)判断结构是否存在损伤。通常需要对结构进行长期的监测，或者事先获得该结构健康状态下的损伤评判指标；(2)损伤的定位。在确定结构发生损伤后，采用损伤定位指标来确定损伤发生的具体位置；(3)损伤的程度分析。该问题可以分为相对损伤程度和绝对损伤程度识别。相对损伤程度可以通过不同时期对损伤结构进行检测，并对多次检测的评判指标进行比较得到。绝对损伤程度识别，即损伤的定量分析，则需要该结构健康状态下的损伤评判指标；(4)评估结构损伤后的剩余服役寿命。1 桥梁(qioling)结构(jigu)损伤动力(dngl)检测技术的研究现状基于动力测试的桥梁损

7、伤检测方法属于整体损伤检测技术，它可以获得结构的全面信息，尤其结构的隐蔽部位，而且检测结果的准确程度较少的依赖于检测者的工程经验和主观判断，可以对结构的安全储备及退化的途径做出系统的评估。基于动力测试的桥梁损伤检测方法分三个层次：第一，判断结构有无损伤；第二，确定结构的损伤位置；第三，标定结构的损伤程度。基于动力测试的桥梁损伤检测方法是近二十年来国内外研究比较活跃的损伤识别方法，是基于结构物的刚度、质量以及材料物理参数的对应关系上。基于结构动力特性的损伤识别方法大致可以分为两类：(1)无模型的损伤识别方法，它们不使用结构模型，属于这类方法的有，基于FRF的波形损伤识别指标方法，包括Wavefo

8、rm Chain Code(WCC，其中又包括量测FRF的斜率差和曲率差)，Aptive Emplate Ethods(ATM)和Signautre Assurance Cretiria(SAC)。此外还有人工神经元网络、ARMA模型、模型识别等。(2)有模型的损伤识别方法，它们使用结构的有限元模型进行损伤识别。这类方法又可分为两种：基于模态参数的损伤识别方法和直接的系统损伤识别方法。基于模态参数的损伤识别方法可分为两步，首先通过振动测试进行模态参数(自振频率、振型、应变模态等)识别，然后通过模态参数识别损伤。第二步工作又有两种方法，一是通过损伤识别指标来进行损伤识别，由于模态参数对损伤不敏感

9、，于是人们试图对模态参数进行加工，以提高其对损伤的灵敏度，定义了损伤识别指标后，可把它当作结构动力指纹，通过比较完好状态的结构动力指纹和受损状态的结构动力指纹来对结构进行损伤识别。常用结构的动力指纹有曲率模态差、柔度矩阵差和应变模态差等方法。由模态参数识别损伤第二步工作的另一种方法是由模态参数确定结构的刚度矩阵的变化，是一种形式的参数估值问题。直接的系统识别方法则直接由结构的反应确定结构的刚度矩阵，是另一种形式的参数估值问题。因为参数估值问题是由结构的反应推断结构参数，就是由方程组的解反求方程组的系数。这在数学上都是不定问题(方程数少于未知数)，只能通过使人为定义的误差函数最小来求解。一般由结

10、构模型的总自由度向测量自由度进行Guyan缩减后，建立误差函数，使之最小而求刚度矩阵中的各元素。常用的基于动力(dngl)测试的桥梁损伤检测方法有：(1)三个基于FRF波形的损伤识别(shbi)指标；(2)基于(jy)振型的结构损伤识别法；(3)基于固有频率的损伤识别；(4)基于神经网络的结构损伤识别方法；(5)基于灵敏度的结构损伤识别方法；(6)基于应变模态和应变能的损伤识别方法2 基于动力的结构损伤检测方法1.基于固有频率变化的损伤识别方法固有频率是振动测试中最容易获得的指标之一，而且测试精度较高。20世纪70年代中期，Cawley和Adams就开始研究自振频率和损伤之间的关系；到80年代

11、中期，提出了一种确定损伤位置和估计损伤程度的方法，损伤识别的结果是通过实测结构的自振频率和理论自振频率比较得出的。基于固有频率变化的损伤识别方法的识别指标主要有频率差和固有频率变化比。该方法的不足之处是：(1)固有频率是一个全局量，不同的结构损伤形式可能产生相似的频率变化，只能发现损伤，但无法确定位置；(2)频率变化对结构损伤有时不十分敏感，无法识别小损伤。2.基于振型变化的损伤识别方法虽然振型的测试精度低于固有频率，但振型也包含了与结构状态有关的信息。利用振型变化识别结构损伤的方法很多，常用的方法有：(1)模态置信度判据法。该方法利用模态置信判据进行损伤识别，如MAC和COMAC其原理是：当

12、损伤未发生时，模态置信度判据为一；一旦损伤发生，由于振型的变化，模态置信度判据不等于一。(2)模态正交法。该方法利用模态的正交条件进行损伤识别。当结构无损伤时，模态满足正交条件；当结构发生损伤时，则模态不满足正交条件。该方法要用到模型矩阵，如刚度矩阵和质量矩阵，涉及到测量模态的插值扩阶或模型缩聚问题。(3)振型曲率法。如果结构出现损伤，则损伤处的刚度会降低，而曲率会增大。振型曲率的变化随着结构损伤的增大而增大。因此，可以根据振型曲率的变化确定损伤发生的位置，这种方法以振型曲率作为定位参数。(4)振型变化图形法。该方法是以振型相对变化量作为定位参数，即损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值。当发生

13、损伤时，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。所以利用振型相对变化图可以识别损伤的位置。上述基于振型变化的损伤(snshng)识别技术在应用中面临着测量振型不完整(包括(boku)测量的振型个数少于分析模型的个数和测量的自由度个数少于分析模型的自由度数)和噪声等问题(wnt)的影响。3.基于柔度变化的损伤识别方法基于柔度变化损伤识别方法的主要原理是：在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数，即低阶振动的模态和频率信息在柔度矩阵中所占的影响成分很大。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获得精

14、度较好的柔度矩阵。根据获得损伤前后的二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，通过对比每列中的最大元素就可找出损伤的位置。Pandey和Biswas提出了基于结构测量柔度矩阵的变化进行结构损伤检测和定位的方法。大量研究表明，结构柔度矩阵在低阶模态条件下包含了有关结构特性的丰富信息，为低阶模态条件下的结构损伤识别提供了一种新的有效途径。但是在数据不完整、不精确的条件下，基于柔度阵的结构损伤识别方法的研究目前还是比较少。为了充分利用柔度矩阵的低阶模态敏感特性，仍需要进一步更深入地开展基于柔度矩阵的结构损伤识别研究。4.基于刚度变化的损伤识别方法当一个结构发生损伤时，刚度矩阵一般提供的

15、信息比质量矩阵多，因为结构发生较大的损伤时，其刚度将发生显著的变化，根据刚度变化的大小进行结构损伤直接定位。与总体柔度矩阵不同，总体刚度矩阵是叠加量，总体刚度矩阵的变化必然意味着观测节点的邻域有损伤存在。也就是说，总体刚度矩阵的变化比总体柔度矩阵的变化在理论上更适合于定位损伤。理论和仿真结果都证实，要确保基于刚度变化的结构损伤定位方法不存在误定位的问题，总体刚度矩阵的计算必须采用完整的模态数据。但是，应当指出的是：由于结构高阶振型对结构刚度矩阵的贡献更大，因此要进行精确识别结构损伤，就要利用高阶振型，但高阶振型的准确获取难度较大，因此这种方法在工程实际中应用较少。5.基于能量变化的损伤识别方法

16、在利用能量变化识别损伤技术中，由于表达能量所用的参数不同，产生了许多方法。有些方法利用模态参数表达能量，有些方法不仅用到模态参数还同时引入了有限元模型信息。能量传递比(ETR)法，即把ETR作为损伤识别的定位参数。ETR法有很多优点：(1)在损伤区域或靠近损伤区域时，ETR的值比较大，而远离损伤区域时，ETR变化不大；(2)ETR对损伤的敏感度远远超过固有频率、阻尼比对损伤的敏感度，并且还能识别损伤的位置：(3)ETR法不需要有限元模型，可用于在线损伤检测。但ETR法的不足之处是：(1)没有考虑噪声的影响；(2)假定系统仅有少量的几阶模态，其余模态被截断。另一种能量法，即应变能方法。该方法同时

17、利用模态参数和有限元信息，其基本原理是利用结构早期损伤前后应变能发生变化的差值进行损伤识别。应变能方法已成功地应用于桥、板和悬臂结构的损伤识别中。6.基于(jy)传递函数(频响函数(hnsh)的损伤识别(shbi)技术由损伤引起的传递函数的变化唯一地由损伤的类型和位置确定，根据这一特点Jiann-Shiun Lew提出了一种损伤识别方法。David C等学者利用频响函数数据和有限元模型，结合最小秩摄动理论，并假设所有产生损伤的方案情况，成功地对一桁架结构进行了损伤识别。Maia N M M等人也提出了一种基于传递函数的损伤识别方法，即频响函数曲率法。其原理与振型曲率法类似，但不需要测试振型，而

18、且比振型曲率法识别效果好，计算模拟算例表明，在考虑5%噪声影响情况下，频响函数曲率法可以很好地识别杨氏模量降低25%这样的损伤量，不足之处是识别的位置不够精确。Mark J等提出了另一种传递函数识别损伤法，即传动函数法(Transmittance Function)。TF即结构上任意两点加速度的互谱与两点中任意一点的自谱的比值。对于相同均方根幅值的随机激励，TF是频响函数矩阵列的函数，与输入力、位移速度、加速度无关。那么，复传动函数就描述了结构性质的变化。这样，结构的复传动函数的最大变化就反映了结构的损伤情况。TF法的优点是：(1)不需要数学模型；(2)可以不需要先验知识(如以往的数据等)；(

19、3)可用于在线损伤监测。TF法的不足之处是测量点的数量和位置影响损伤检测的精度。7.基于阻尼的损伤识别技术运用结构损伤前后阻尼的变化诊断损伤主要应用于复合材料结构，由于通过模态参数识别技术确定阻尼比的精确度不高，因此利用阻尼识别损伤仍处于探索研究阶段。Ndambi研究了结构的阻尼机理以及利用阻尼作为预应力混凝土结构的损伤诊断指标。Farrar研究发现结构的损伤与结构阻尼减小或增大没有一致性。3 算法模式的修正模型修正方法的提出是为了建立更准确的有限元模型，模型修正方法通过试验获得的结构振动响应数据对质量、刚度和阻尼矩阵进行修正，使其更好地与实测数据相匹配。基于模型修正的结构损伤识别方法的基本思

20、想是：通过采用某种特定的模型缩聚技术或向量扩充技术，使修正的模型和原始模型的自由度数相同，然后比较它们之间的差别来识别损伤位置和程度。其本质是一个求解约束最优化问题的过程。根据最优化目标函数、约束条件以及优化方法等几个方面来分类，一般可分为：最优矩阵修正法、灵敏度分析法、特征结构分配法和混合法。1.最优矩阵(j zhn)修正法最优矩阵修正法的基本原理是在特定的约束条件下，直接通过(tnggu)优化求解某一目标函数来求得修正的模态参数矩阵。其代表主要有基于最小范数理论的Berman-Baruch的矩阵修正法、拉格朗日乘子法、最小范数摄动法以及(yj)基于最小秩的最小序摄动法。Chen等为了解决修

21、正整体结构矩阵不易识别单元结构参数的特点，提出了通过最小化结构特性扰动矩阵范数识别损伤的方法，这种方法有利于对结构损伤位置和程度做出准确判断。最小范数法的缺点是对整个刚度矩阵进行修正，而损伤是局部的，这种处理会造成损伤识别困难。Zimmerman D C等首先建立了基于最小秩扰动理论的结构损伤识别算法，这种方法对结构扰动矩阵的秩进行优化以寻找满足约束条件的秩最小的修正矩阵。Doebling指出，在损伤识别中，最小秩法优于最小范数法。优化求解方法要求所有分析自由度都有模态测量值，故必须采用模态振型扩展或模型缩减技术，这会引入额外的误差。最优矩阵修正法经过不断发展，虽然已经成功地解决了保证结构特性

22、矩阵对称性、稀疏性、正定性等问题，但是如何在数据误差和稀疏条件下准确识别单元结构参数仍未很好解决。2.灵敏度分析法灵敏度分析法就是利用测量参数(模态参数)对结构参数(刚度、阻尼等)的导数来计算物理参数的变化，从而对模型进行修正。可以分为试验灵敏度方法和解析灵敏度方法两种。试验灵敏度方法是通过模态正交关系得到固有频率和振型的灵敏度矩阵的方法，而解析灵敏度通常是直接计算刚度和质量的灵敏度矩阵因此需要模型缩减或向量扩充技术，这样会带来额外的误差，对于噪声的影响和矩阵参数变化较大的情况，没有前种方法敏感。灵敏度法的好处是可以识别出结构单元的损伤程度，缺点是灵敏度计算量特别大。如果能够对结构损伤进行大致

23、定位，再采用灵敏度方法，将会大大降低计算量。王柏生等先用损伤指标进行损伤定位，再用灵敏度识别损伤；Hyoung则先用最优矩阵修正方法进行损伤定位，再用灵敏度法识别损伤程度。这种分两步走的方法可能是应用灵敏度方法的一个较佳方案。3.特征结构分配法特征结构分配法的基本原理是通过合理选择虚拟控制系统中输出影响矩阵和反馈增益矩阵，使增加虚拟控制后的结构动态特性与在结构上测得的动态特性一致，从而对结构的有限元模型进行修正。Zimmerman和Kaouk首先使用特征结构分配技术研究了结构的损伤识别问题，所提出的部分特征结构识别算法提高了模态的可分配性，保持了修正模型的稀疏性。Lim总结了特征结构分配技术在

24、结构损伤识别中的应用，并且建立了这种方法的统一框架。4.混合法结构损伤识别的最优矩阵修正法、灵敏度分析法和特征结构分配法都在某些方面存在一定的不足，因此一些学者尝试(chngsh)将这些方法结合起来或将这些方法与其它方法结合起来使用，以提高算法的计算效率和准确程度。Wong等人提出了一个(y )将灵敏度研究和MAC/COMAC分析相结合的三步法，并用该方法对一个框架进行了试验。Li和Smith基于灵敏度分析和最优矩阵修正算法，提出了一种用于损伤识别的混合结构模型修正方法。Dos Santos等提出了一种MRPT结合常规最小二乘估计算法的结构损伤识别算法。Law等使用灵敏度分析与统计分析相结合的

25、方式，研究了直接利用不完整振型数据确定结构损伤位置的问题。结构损伤识别的混合法在处理复杂结构的识别问题时，通过将问题分解为不同的子问题，使问题得到了简化，有利于提高求解(qi ji)效率和识别的准确性。4 结构损伤识别存在的主要问题和未来研究方向4.1结构损伤识别目前存在的主要问题正是由于土木工程结构损伤识别技术具有如此重要的应用价值，人们对其进行了大量的研究，提出了各种各样的方法。结构损伤识别技术己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。虽然结构损伤识别理论方法的研究已取得很多成果，但是由于人们认识水平、试验测试技术和现场条件的限制，结构损伤识别的研究仍然进展缓慢

26、，存在很多问题，目前也难以有效应用于工程实践。综合而言，主要存在以下问题：(1)实用的损伤判别指标发展更可靠的损伤判别指标，该指标不会误判及漏判。要实现这个目的，所使用的特征量必须敏感而且能准确测量，这种指标不仅要能够损伤定位，而且能够准确判断结构损伤的程度。(2)结构分析模型误差结构分析模型均存在几何误差、边界条件及单元连接的模拟误差、结构材料特性误差等，使得结构分析结果存在一定程度的误差，而目前对如何消除各种模型误差的考虑还很不够。(3)损伤识别算法的有效性基于有限测试位置振动响应数据的结构损伤识别问题可以当成解一个非确定系统的非线性方程组，该方程组的未知数的数量要大于方程的数量，因此该数

27、学问题的解不是唯一的，该问题实际上转化为一个非线性优化问题，需要应用非线性优化方法来得到最可行的解，优化的目的是最小化目标函数。解决该优化问题取决于目标函数的确定和优化方法的选择等。目前常规的优化方法都不能保证能识别全局最优点，而且需要大量的计算和搜索时间，尤其是优化问题包含大量的设计变量。(4)观测(gunc)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(gunc)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：结构测试传感器只能布置在有限的位置上，特别是对于较为大型(dxng)的结构，传感器的数量就更为稀疏；观测数据的不完整不但与结构的复杂程度有关

28、，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；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。(5)观测数据的不精确目前现有的实用于工程实践的动力测试手段相对落后，在环境噪声等的干扰下，实测动力数据中存在测试误差使其有效信息进一步降低，使得目前损伤识别理论方法对动力测试数据数量与精度的要求普遍远远高于目前的实测动力数据，数据误差的存在可能会掩盖因结构特性改

29、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。从上述总结中可知，桥梁健康监测与状态评估系统的研究尚处探索阶段，距离实用性的系统目标尚有很大的差距。实际上不同类型、部位的结构损伤对结构各阶模态的影响程度有极大的不同，寻找特定结构形式不同损伤对其动力模态的敏感因素，并尽可能排除噪声对结果判断的影响，有可能在一定程度上推进此技术的实用化进程。为达到这一目的可从两方面入手：(1)提高桥梁损伤诊断方法的灵敏度和强健性，需要敏感性较高的数据采集设备以及后期对数据处理时，合理的计算方法的支持。(2)降低噪声和不确定性因素的影响，即对其进行量化，就工程应用而言，利用概率统计信息来表征，是合理且可行

30、的。4.2结构损伤识别未来研究方向目前，对基于信号处理技术及多学科交叉的损伤识别方法的研究方兴未艾，为了进一步明确研究目标，把握现代土木工程领域结构损伤识别技术的发展趋势是非常必要的。在该研究领域有如下几个主要发展趋势：(1)全局性的结构损伤识别技术的研究基于结构动力特性变化的全局性损伤识别技术得到国内外众多研究人员的广泛关注，该技术具有较好的应用前景，随着科学技术发展以及多学科的交叉、融合，给基于动力测试的结构损伤识别技术带来了较大的发展空间。全局性的结构损伤识别技术可以从整体上评估结构的工作状态、服役寿命，与局部损伤探测技术相比，成本较低，操作简单，可靠性高。特别对于大型复杂结构而言，局部

31、检测技术实施起来困难较大，发展全局性的结构损伤识别技术显得更为可行。(2)提高结构损伤识别(shbi)效率、降低成本为了较好的描述结构的健康状态，结构损伤识别系统的设计在结构的设计阶段就需要(xyo)建立相应精确的数值模型。结构的测试系统中，传感器数量、位置的选择，测试手段的选择等都需要较大的发展以降低该系统的成本。(3)发展实时的结构(jigu)健康监测系统在大多数情况下，外界的激励力是不确定的，无法测试得到，另外噪声干扰以及测点数有限意味着可利用的测试信息的有限性。因此如何利用有限的信息发展实时的健康监测系统将是一个巨大的挑战。参考文献1Starritt L W,Matthews L K.

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