淺述基于模態(tài)分析的方法在土木工程結(jié)構(gòu)中的健康監(jiān)測(cè)

摘 要：本文基于模態(tài)分析的方法對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究中的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)法及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹。模態(tài)分析法是針對(duì)結(jié)構(gòu)全局的測(cè)試，其使用的該模式僅限于低級(jí)別的方面，檢測(cè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該更容易建立有限元模型，以方便進(jìn)行響應(yīng)預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；健康；監(jiān)測(cè)

土木工程自從建成后，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，不斷受各種環(huán)境侵蝕和荷載以及自然條件等的作用，若沒(méi)有適當(dāng)?shù)木S護(hù)，將使土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要目的就是由結(jié)構(gòu)中的傳感器來(lái)實(shí)時(shí)取得結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境激勵(lì)的響應(yīng)并從中得到土木工程結(jié)構(gòu)的老化和受損信號(hào)，為工程的正常使用和日常維護(hù)提供參考數(shù)據(jù)，從而可降低維修費(fèi)用，預(yù)報(bào)災(zāi)難性事故的發(fā)生，將損失減小。下面就使用模態(tài)分析的方法在土木工程結(jié)構(gòu)中的健康監(jiān)測(cè)做一下簡(jiǎn)要敘述。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有限元模型的推導(dǎo)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的方法和途徑，即參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題，在以往的文獻(xiàn)中有詳細(xì)的測(cè)試，檢測(cè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改，modaland的傷害定位。結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改是一個(gè)關(guān)鍵的損傷檢測(cè)。他可以得出，就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的有限元模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其原因是自由度的數(shù)目是小于的數(shù)目的模型的自由度，測(cè)量由多種原因，許多差異與測(cè)量得到的模態(tài)模態(tài)的有限元模型。結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改的方法很多，但目前還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的權(quán)威的工程方法。

主要是進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別的頻域和時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)可能會(huì)有所不同加收集和數(shù)據(jù)分析的頻域窗口而致傷害導(dǎo)致?lián)p失的信息，以降低分辨率的傷害。從損傷檢測(cè)的角度來(lái)看，時(shí)域信號(hào)中還含有大量的信息在頻域分析未能充分利用易卜拉欣介紹ITD法在20世紀(jì)70年代初，許多基于時(shí)域信號(hào)分析電力系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別方法。如卡爾曼濾波、隨機(jī)減量法、時(shí)序分析法、MA模型和ARMA模型、Pronny估計(jì)、最大熵估計(jì)、極大似然估計(jì)、優(yōu)化方法等[2]。

在結(jié)構(gòu)局部損害且程度較輕時(shí)，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)沒(méi)有改變的結(jié)構(gòu)的局部損傷，并在較小程度上，當(dāng)原來(lái)的頻率的結(jié)構(gòu)，或模態(tài)阻尼的MAC值的兩個(gè)變化時(shí)，不能有效地顯示出結(jié)構(gòu)損傷。Farrar用實(shí)驗(yàn)和有限元模擬等方法得到到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)構(gòu)的橋，這座橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件不同程度的損傷，字相比原來(lái)的頻率，模態(tài)阻尼和MAC值，結(jié)果顯示只有字梁斷裂程度的截面積的一半以上的上述參數(shù)與結(jié)構(gòu)完整，有顯著的差異時(shí)，結(jié)構(gòu)的破壞是非常嚴(yán)重的，并在模態(tài)節(jié)點(diǎn)處所收集到的信息，也沒(méi)有明顯的變化。當(dāng)這橋梁結(jié)構(gòu)中的工字梁發(fā)生不同程度損傷時(shí)，比較原始頻率、模態(tài)阻尼，以上各參數(shù)才與完好結(jié)構(gòu)有明顯的差異。最近，一些學(xué)者模態(tài)分析和應(yīng)變模態(tài)法，剛度或彈性變化的方法，模態(tài)曲率法，柔度曲率法，頻率響應(yīng)函數(shù)曲率法，破壞指數(shù)的損害的檢測(cè)方法，上述方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)方法損傷檢測(cè)靈敏度有所增加。提出了如應(yīng)變模態(tài)方法、剛度或柔度改變法、模態(tài)曲率方法、柔度曲率方法、頻響函數(shù)曲率方法、損傷指數(shù)法等結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法，以上方法進(jìn)行損傷檢測(cè)的敏感程度都有提高。

在有限元模型的損傷模擬方面，F(xiàn)arrar等提出了將原有相互連結(jié)的單元?jiǎng)澐譃榉蛛x形式的方法，也有研究者采用降低單元?jiǎng)偠鹊姆椒āＭㄟ^(guò)過(guò)對(duì)損傷檢測(cè)方法精度的對(duì)比，比對(duì)的方法的特征參數(shù)，改進(jìn)的剛度變化，變化的方法的靈活性，矩陣光標(biāo)方法，結(jié)果表明，該矩陣的光標(biāo)的損傷的方法是最敏感的，其余的依賴于測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

還有報(bào)道是將模態(tài)參數(shù)組合起來(lái)作為損傷評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。比如將結(jié)構(gòu)損傷后的第i個(gè)和第j階模式的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的分析的特征參數(shù)的比率的平方的頻率變化，所以，每一個(gè)單元可以計(jì)算出參數(shù)的損害所標(biāo)識(shí)的位置，所以這個(gè)所得參數(shù)的大小，但也得到損傷的程度。通過(guò)數(shù)值模擬表明，顯著影響上的結(jié)構(gòu)細(xì)觀損傷法官的參數(shù)。從而獲得的損傷指數(shù)DS判斷損傷位置，但與損傷的程度無(wú)關(guān)。模態(tài)分量的基礎(chǔ)上，先前的判斷、資料，原來(lái)的頻率，和一個(gè)小的節(jié)點(diǎn)的參數(shù)組合，形成一個(gè)多層次的框架結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用這個(gè)組合的參數(shù)模型誤差相對(duì)較小，有一個(gè)非常強(qiáng)大的，具有很好的識(shí)別，以確定結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度的影響。

綜上所述，模態(tài)參數(shù)的組合和數(shù)學(xué)方法可以提高損傷識(shí)別的靈敏度。通過(guò)參考損傷誘導(dǎo)的載體構(gòu)建一個(gè)模態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)，以確定的方法的結(jié)構(gòu)損傷。傷害誘導(dǎo)的載體可以快速排除沒(méi)有損壞的部件，減少了識(shí)別范圍，計(jì)算量也小，該方法也可以判斷輕微損壞的結(jié)構(gòu)。使用遺傳算法，以確定結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度，所使用的信息中識(shí)別的遺傳算法的結(jié)構(gòu)之前，原始的第二次頻率和相應(yīng)的模式的形狀或結(jié)構(gòu)的前三個(gè)原始頻率和第一階模式，表明遺傳算法來(lái)找到最佳的解決方案的優(yōu)勢(shì)鮮為人知的信息。使用技術(shù)分析和處理模態(tài)參數(shù)的支持向量機(jī)（SVM），并與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以確定結(jié)構(gòu)的損傷。模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)的整體測(cè)試的方法，使用的模態(tài)被限制到低級(jí)別的區(qū)域，檢測(cè)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該更容易建立的有限元模型，以便響應(yīng)預(yù)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]Ewins D J. Modal Testing：Theory and Practice. New York： Wiley，1985.

[2]李國(guó)強(qiáng)，李杰.工程結(jié)構(gòu)損傷診斷的動(dòng)力學(xué)方法研究綜述[M].湖南城建高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2002.48.