重庆交通大学-结构损伤诊断与评估试题答案

1、结构损伤诊断与评估试题1、结构损伤识别的问题主要有几个层次？每个层次有哪些研究内容和难点？答：损伤识别问题按递进关系主要分为以下4个层次：第一个层次：确定结构中是否发生损伤；目前基于结构线性损伤和非线性研究的深入，对于结构是否发生损伤的判断方法已经比较成熟。损伤是否存在的重点在于对结构作出长期性科学合理的监控量测，同时在结构所处的环境中发现结构损伤和主要损伤还处于研究阶段；第二个层次：确定损伤的几何位置；在第一个层次的基础上目前实际工程中采用的主要依靠人工观察的方法。研究人员在室内实验和实践运用中进行了大量研究，有基于局部和全局的方法等，但是较实用相比任有相当的差距。如何确定损伤的关键截面，在

2、整体结构中精确的找到损伤位置以及判定主要损伤出现的位置是当下需要研究的重点；第三个层次:对损伤的严重程度进行量化判定;在实践工程中，对于结构本身而言，结构损伤可能从建筑物建造过程中或建成开始就存在，也可能是在建筑物使用过程中逐渐形成的；而且有的损伤并不影响结构的正常使用，但有的损伤（主要损伤）甚至是致命损伤一旦出现则致使结构不能正常工作，甚至危害性很多大。因此对损伤程度的确定也是目前研究的关键，如何从众多损伤中找出最主要和影响结构工作的损伤大小和程度是关键；第四个层次：结构损伤之后预测结构的剩余使用寿命；剩余寿命的评估是基于前面三个层次的进一步研究。实践工程中对剩余寿命的评估运用什么样的评估依

3、据、评估方法、评估程序，如何建立剩余寿命评估模式及最后什么样的情况下得出合理的预测结构的剩余使用寿命是这一阶段的研究重点。2、目前,结构损伤识别的方法有局部和全局方法，它们个有何特点？答：任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变。因此，结构参数的改变可以视为结构损伤发生的标志，所以全局的损伤识别方法一般即是基于振动的动力学识别方法。故利用损伤发生前后结构参数特性的改变来诊断结构损伤的方法即称为整体检测方法。其原理可以归结为对于结构损伤前和损伤后动力特性不一样而判别损伤发生与否、损伤位置、损伤程度，通过对结构进行动力学分析，可以找出

4、结构损伤前后结构刚度、质量、阻尼的变化，从而推导频响函数和模态参数的变化，以此判断结构损伤。全局方法以评价整体结构的状态，可以间断或连续地评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。其更加侧重于对结构损伤的早期定性判断，这种定性判断相当重要，可以大致估计结构损伤程度和结构的整体性能。这种动力振动的方法不影响结构的正常使用，是一种无损检测方法。但这种方法对于某些局部损伤程度和精确判断还不够准确。整体检测方法大致可以分为动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法、小波分析法。局部方法主要依靠无损检测技术对特定构件进行精确的检测、查找，描述缺陷的部位，对结构局部的探测和检测。对结构进行局部检测之前，需

5、要预先知道结构损伤的大体位置，并且要求检测仪器能够到达损伤区域，这样才能让局部检测有意义和针对性。局部检测往往运用仪器对结构局部进行探测，对局部的损伤程度有一个较为精确的判断，实际操作中也可以利用传感器对结构局部进行实时监测，这种方法及时准确。但局部的方法在不知道损伤位置的情况下难以使用，对于大型复杂结构，无法给出整体结构的损伤信息，不能对结构的整体安全性左侧准确判断。局部检测方法有目测法、回弹法、染色法、光干涉法、声发射法、射线法、超声波技术等。3、结构动力学方法识别损伤主要有哪几类，其特点如何？答：结构动力学方法识别损伤主要依据结构的物理特性和模态参数在损伤前后的改变，运用动力学的方法和原

6、理计算出这些结构物理参数在损伤前后之间的差别，以此判别是否存在结构损伤，判别结构的损伤程度和整体安全性。动力学方法主要是依据损伤前后结构刚度、质量、阻尼（或耗能能力）的变化，其变化值与损伤程度存在着一定的相关性，从而根据结构动力物特性或响应的改变来推导频响函数和模态参数的变化，以此来进行量测并判断结构损伤。主要方法有动力特性法、模型修正法。动力特性法：任何一个工程结构都可以视为由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统。结构损伤的存在会引起以上物理特性的改变，进而导致相关物理参数的函数改变，即频响函数和模态函数的变化。如频率变化的损伤识别、推型变化的损伤识别、柔度变化的损伤识别等。模型修正法：

7、利用加速度时程记录、模态参数、频响函数等构造方程误差等动力测试数据，通过条件优化约束，不断修正的模型中的刚度分布，使其响应分量接近由测试得到的实践工程中的结构动态响应，最终实现结构的损伤识别。如统计法、神经网络法、遗传算法等。4、结构损伤识别的智能方法主要有哪些？其主要内容是什么？答：结构损伤识别的智能方法主要有小波分析法、神经网络法、遗传算法等方法。小波分析法是一种信号处理手段，在结构损伤识别中的应用属于信号分析的范畴。基于小波突变的小波分析法利用小波函数对突变信号的敏感性，精确分析结构振动信号的细节突变，无论是突然损伤还是积累损伤，都能通过这些突变特征来判断损伤程度和损伤发生的时刻。该方法

8、的优点在于利用一个可以伸缩和平移的可变视窗，能够聚焦到信号的任意细节进行时频域处理，既可看到信号的全貌又可分析信号的细节，还可以保留数据的瞬时特性；同时小波分析法具有多尺度分析的的特点，在时域、频域都具有表征信号局部特征的能力，可以对信号进行奇异性检测、消除噪声、信号压缩等大量信号进行处理。小波分析方法适用于检测在结构中存在单个和多个异常值；基于小波方法的结构损伤检测和结构健康监测在损伤识别中有很好的应用。隐忘綸出层旳主-忻吟J-顷卞:L-占巧也百*干也图1神经网络损伤诊断图神经网络诊断结构损伤的运用大体分为提取特征值建立训练样本集、对样本集进行训练建立损伤状态关系、动力参数输入得出判别结果三

9、大步骤。其用于损伤识别的基本原理大致为：根据结构在不同状态的反应，通过特征提取，选择对结构损伤敏感的参数作为网络的输入向量，结构的损伤状态作为输出，模拟发生的损伤训练位样本集合。将样本集送入神经网络进行训练，建立输入参数与损伤状态之间的映射关系，训练后的网络具有模式分类功能。将待测结构进行测试的动力参数输入网络，根据当前状态下的结构损伤指标得出损伤状态信息。改方法具有线性和非线性的能力，同时具有自组织、自适应的学习能力。在损伤识别中神经网络可以利用自稳定性强的特点排除环境中的噪声干扰，增强了信号的处理能力。但人工网络容易出现大型误差、数据不完备等缺点。神经网络损伤诊断图如图1所示输入层基于遗传

10、算法的损伤识别是根据生物进化、演变、记忆的过程,是工程科学与生命科学交叉融合的结果。该方法能迅速判定损伤位置和程度，当模态信息部分丢失，遗传算法寻优能力也不会受到影响。遗传算法只需计算各可行解的目标值而不要求目标函数的连续性，利用测量得到的模态向量和固有频率与假设损伤结构的模态向量和固有频率只差构造输入误差函数，通过输入误差函数取得极小值，得到结构参数在损伤前后的误差变化情况，以此获得结构的损伤信息。对线性和非线性同样有效。遗传变异法流程图如图2所示。图2遗传变异法涯程图5、试述结构损伤识别的新方法。答：土木工程结构损伤诊断、结构损伤识别已经成为土木工程领域的一个重要研究方向。尤其以基于动力测

11、试的结构损伤识别的方法已经成为目前国内外研究的一大重点方向，并且各种损伤识别的方法已经在实验阶段取得了较为理想的效果。但是由于土木工程结构损伤分布和损伤程度有很大的随机性、振动源不明确和振动测试环境不可控、独特的个性和相对复杂等特点；在实际工程运用中存在着相当的困难，和理论依据和实验依据存在着一定的差距。尤其是测试数据不完备或者由于设备和技术的不完善造成的误差、数据的处理问题、测试噪声的干扰等困难。综上所述，近年来，研究人员开始重视越来越受到关注的基于曲率的损伤识别方法，并且进行了大量的理论研究和实验研究，取得了很好的效果。研究人员提出了关于曲率损伤识别指标，高指标对于结构损伤具有很高的灵敏度，而且仅依靠低阶模态信息就有很好的识别效果。由韩西教授、李兴满团队提出的基于柔度差高斯曲率的结构损伤识别研究及指标，将柔度矩阵和高斯曲率结合起来，并运用有限元软件建立桥梁模型并人为设置损伤工况进行模态分析，运用柔度差高斯曲率法进行结构位置识别，得出了相当精确的结果。利用该方法在实验研究中有针对地对5种工况进行结构损伤识别，最终取得了很好的效果，从而验证了该方法的可行性及有效性。研究人员在对基于曲率的损伤识别