淺談結(jié)構(gòu)損傷及其診斷方法

中國人民解放軍72463部隊 250022

摘要：鑒于我國當(dāng)前許多大型工程已建成結(jié)構(gòu)大批老化的大背景下，作者在文中簡要地闡述了結(jié)構(gòu)損傷診斷的定義及其內(nèi)容，并通過比較各種診斷方法和研究，探討土木工程結(jié)構(gòu)損傷診斷未來的發(fā)展趨勢，希望可以逐步提高我國建設(shè)工程結(jié)構(gòu)的實用性以及安全性價值。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)損傷；診斷方法；發(fā)展趨勢

1、前言

近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和提高，工程結(jié)構(gòu)損傷診斷也迅速發(fā)展起來，并開始適用于重大工程結(jié)構(gòu)中，對可能出現(xiàn)的工程結(jié)構(gòu)損傷診斷進(jìn)行預(yù)測、評估。因此，加強結(jié)構(gòu)損傷及其診斷方法的研究，已日益成為未來建筑工程發(fā)展趨勢，其關(guān)系到建筑的安全與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)，并與國家未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。

2、結(jié)構(gòu)損傷診斷的定義和基本思路

結(jié)構(gòu)損傷的定義：結(jié)構(gòu)原有形態(tài)的破壞，結(jié)構(gòu)損傷在物理狀態(tài)空間表現(xiàn)為剛度降低，柔度增大，在模態(tài)狀態(tài)空間表現(xiàn)為固有頻率降低。結(jié)構(gòu)損傷診斷的基本思路：結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生必然導(dǎo)致變化的結(jié)構(gòu)參數(shù)（剛度、阻尼和內(nèi)部載荷）的改變，如果正確的估計出這些變化，將對結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評估提供一個量化的測量方法。

3、結(jié)構(gòu)損傷診斷常用方法

3.1基于固有頻率變化的損傷診斷方法

固有頻率是模態(tài)參數(shù)中最容易獲得的一個參數(shù)，而且識別的精度較高，其損傷診斷的原理為。首先，根據(jù)理論模型假設(shè)結(jié)構(gòu)可能有一組損傷位置的方案，并計算每個理論方案所對應(yīng)的任意二個頻率改變量之比，然后計算實驗測量的任意二個頻率改變量之比。最后，將上述理論比值與實驗比值進(jìn)行比較，找出與實測最為接近的理論值，則該值對應(yīng)的損傷方案即為實際結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，于是獲得了結(jié)構(gòu)的損傷位置。值得注意的是，此類方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，僅結(jié)構(gòu)的剛度降低，而忽略結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化，并在結(jié)構(gòu)早期損傷之前建立一個修正的理論模型，從理論上講，發(fā)生破損以后的任意二階頻率改變量之比僅是破損位置的函數(shù)，而與破損大小無關(guān)。

3.2基于振型變化的損傷診斷方法

振型包含了結(jié)構(gòu)更多的損傷信息，利用振型變化診斷結(jié)構(gòu)損傷的方法主要有如下兩種：

3.2.1振型曲率法

如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破損，則破損處的剛度會降低，而曲率便會增大，振型曲率的變化隨著曲率的增大而增大。因此，可以根據(jù)振型曲率的變化確定損傷發(fā)生的位置，該方法以振型曲率作為定位參數(shù)，需要非常臨近的測點，以便利用中心差分法求取曲率模態(tài)，這樣就要求足夠密的測點，或者要求精度非常好的插值擴(kuò)階模態(tài)，否則將增大曲率模態(tài)振型的誤差。

3.2.2振型變化圖形法

該方法是以振型相對變化量作為定位參數(shù)，即損傷前后振型的差值與損傷前振型的比值，當(dāng)結(jié)構(gòu)有損傷時，受到影響的自由度上的振型相對變化量在損傷區(qū)域內(nèi)就會出現(xiàn)比較大的值，所以利用振型相對變化圖可以識別損傷的位置。事實上，上述基于振型變化的損傷識別技術(shù)當(dāng)面臨測量振型不完整和躁聲影響時，將不能識別結(jié)構(gòu)的損傷。

3.3基于柔度變化的損傷診斷方法

許多學(xué)者在利用柔度變化進(jìn)行損傷診斷方面作了有益的研究，主要原理是：在模態(tài)滿足歸一化的條件下，柔度矩陣是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù)，隨著頻率的增大，柔度矩陣中高頻率的倒數(shù)影響可以忽略不計，這樣只要測量前幾個低階模態(tài)參數(shù)和頻率就可獲得精度較好的矩陣，根據(jù)獲得損傷前后的二個柔度矩陣的差值矩陣，求出差值矩陣中各列中的最大元素，通過檢查每列中的最大元素就可找出損傷的位置。

3.4基于剛度變化的損傷診斷方法

當(dāng)一個結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，剛度矩陣所提供的信息一般比質(zhì)量矩陣多，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大損傷時，其剛度將發(fā)生顯著的變化；但是，結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的損傷（譬如小于 5%）時，這類方法將不能進(jìn)行損傷識別。

3.5基于頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）變化的損傷診斷方法

由于損傷引起的頻響函數(shù)的變化唯一地由損傷的類型和位置確定，雖然頻響函數(shù)的信息量大，但是損傷診斷僅利用頻響函數(shù)的一列數(shù)據(jù)。有學(xué)者利用頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和有限元模型，結(jié)合最小秩攝動理論，并假設(shè)所有產(chǎn)生損傷的方案情況，成功地對一桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識別。也有其他學(xué)者提出了一種傳遞函數(shù)識別損傷的方法，即頻響函數(shù)曲率法。其原理類似于振型曲率法，但不需要測試振型，比振型曲率法識別效果好。頻響函數(shù)曲率法可以很好地識別梁的損傷，至少能識別楊氏模量降低 25%這樣的損傷量，并考慮了 5%的躁聲影響。

4、結(jié)構(gòu)損傷診斷方法的研究展望

結(jié)構(gòu)損傷診斷是一門新興的多學(xué)科前沿知識交叉的學(xué)科，因此，無論理論還是實踐都有待人們深入研究。總的來說，結(jié)構(gòu)損傷診斷的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

4.1結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的研究

到目前為止，判斷損傷是否存在、如何確定損傷位置和計算損傷量的大小這三個問題仍然是主要問題，而且還無法解決損傷對結(jié)構(gòu)壽命的影響問題。

4.2識別小損傷的研究

對于大型結(jié)構(gòu)，大損傷對系統(tǒng)參數(shù)有較大的影響，而小損傷對系統(tǒng)參數(shù)影響較小，再加上躁聲的影響，上述的許多方法就無法診斷出小損傷。然而，有些大型結(jié)構(gòu)海洋平臺、高層建筑、大型橋梁等，小損傷在較短的時間內(nèi)發(fā)展為大損傷。雖然小損傷對系統(tǒng)參數(shù)影響較小，但對局部參數(shù)影響較大。所以，小損傷的識別是一個很值得研究的方向。

4.3傳感器優(yōu)化布置的研究

結(jié)構(gòu)損傷診斷要求傳感器有完整的功能，能測量外部環(huán)境狀況的變化。具有獲得、處理及綜合多傳感器和多測點信息的信號處理功能。然后，單個傳感器和測量傳感器系統(tǒng)要能提供這種多元的信息。參數(shù)值的估計涉及到代表真實結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的局限性引起的不確定性、數(shù)據(jù)中的測量誤差、不足的激勵和響應(yīng)帶寬等。特別地，結(jié)構(gòu)中傳感器的數(shù)量和位置對模型參數(shù)估算的質(zhì)量和偏差有主要的影響。因為獲得完整的模態(tài)數(shù)據(jù)對于一個大型結(jié)構(gòu)是不可能的，測量只能得到關(guān)于有限元模型所有自由度的一部分模態(tài)；在橋梁結(jié)構(gòu)中，這種差異會導(dǎo)致模態(tài)擴(kuò)展或有限元模型自由度的截斷。不幸的是，這一過程不可避免會引入誤差和導(dǎo)致?lián)p傷檢測難度加大。一種替代的方法是用測量的不完整的模態(tài)來檢測損傷，然后收集更多相關(guān)的信息，可以方便地用于損傷檢測。靜力和動力數(shù)據(jù)來自各種安裝在測量結(jié)構(gòu)中的傳感器，因此，傳感器的靈敏度、精確度和位置等對于損傷檢測是非常重要的。獲得越多的信息，損傷識別就越容易，但必須考慮成本代價，這就是為什么要確定傳感器最優(yōu)化或接近最優(yōu)化的布置。

4.4基于多學(xué)科交叉的損傷診斷方法的研究

由于各類大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)都有自己的特點，包含了機(jī)械工程、建筑工程、材料工程和振動理論等多門學(xué)科知識，動力學(xué)方法不能夠完全取代現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)評估中的調(diào)查及檢測程序。因此，研究結(jié)構(gòu)的損傷診斷，把振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料結(jié)構(gòu)等多學(xué)科技術(shù)結(jié)合起來是一個發(fā)展趨勢。

4.5在線損傷診斷方法的研究

在線損傷診斷方法具有實時性、連續(xù)性和預(yù)測性，有巨大的實用價值和理論價值且應(yīng)用前景廣闊。目前，對該類方法的研究是一個發(fā)展趨勢，但需要解決的理論問題很多。

4.6分類法

工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為具有隨機(jī)性、模糊性和典型的個性特征，將結(jié)構(gòu)類型及損傷特征進(jìn)行分類，再用診斷的手段量化損傷特征，也許可以提高診斷的準(zhǔn)確性和效率。此外，診斷方法應(yīng)與結(jié)構(gòu)可靠度理論相聯(lián)系，而損傷診斷的最終目的就是評估結(jié)構(gòu)的可靠度。

5、結(jié)束語

綜上所述，伴隨著現(xiàn)代社會的飛速發(fā)展，一些在役建筑物，隨著年代的久遠(yuǎn)已出現(xiàn)不同程度的損害，始終威脅著人們的生命財產(chǎn)安全，對它們的損傷診斷就顯得非常迫切，另一方面各種大型復(fù)雜的土木工程結(jié)構(gòu)迅速崛起，由于各種土木結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和其使用時的重要性，必須對出現(xiàn)損傷進(jìn)行及時診斷。因此，加強對建設(shè)工程結(jié)構(gòu)損傷診斷方法的研究是當(dāng)前結(jié)構(gòu)工程學(xué)科十分活躍的研究領(lǐng)域，其具有著廣泛而深遠(yuǎn)的意義，需要我們在以后的工作學(xué)習(xí)中不斷努力。

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