淺談結構損傷及其診斷方法

中國人民解放軍72463部隊 250022

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

關鍵詞：結構損傷；診斷方法；發展趨勢

1、前言

近年來，隨著現代科學技術的日益發展和提高，工程結構損傷診斷也迅速發展起來，并開始適用于重大工程結構中，對可能出現的工程結構損傷診斷進行預測、評估。因此，加強結構損傷及其診斷方法的研究，已日益成為未來建筑工程發展趨勢，其關系到建筑的安全與經濟效益的協調，并與國家未來的經濟發展息息相關。

2、結構損傷診斷的定義和基本思路

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

3、結構損傷診斷常用方法

3.1基于固有頻率變化的損傷診斷方法

固有頻率是模態參數中最容易獲得的一個參數，而且識別的精度較高，其損傷診斷的原理為。首先，根據理論模型假設結構可能有一組損傷位置的方案，并計算每個理論方案所對應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行比較，找出與實測最為接近的理論值，則該值對應的損傷方案即為實際結構的損傷狀態，于是獲得了結構的損傷位置。值得注意的是，此類方法認為結構發生損傷時，僅結構的剛度降低，而忽略結構質量的變化，并在結構早期損傷之前建立一個修正的理論模型，從理論上講，發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，而與破損大小無關。

3.2基于振型變化的損傷診斷方法

振型包含了結構更多的損傷信息，利用振型變化診斷結構損傷的方法主要有如下兩種：

3.2.1振型曲率法

如果結構出現破損，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，可以根據振型曲率的變化確定損傷發生的位置，該方法以振型曲率作為定位參數，需要非常臨近的測點，以便利用中心差分法求取曲率模態，這樣就要求足夠密的測點，或者要求精度非常好的插值擴階模態，否則將增大曲率模態振型的誤差。

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，即損傷前后振型的差值與損傷前振型的比值，當結構有損傷時，受到影響的自由度上的振型相對變化量在損傷區域內就會出現比較大的值，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當面臨測量振型不完整和躁聲影響時，將不能識別結構的損傷。

3.3基于柔度變化的損傷診斷方法

許多學者在利用柔度變化進行損傷診斷方面作了有益的研究，主要原理是：在模態滿足歸一化的條件下，柔度矩陣是頻率的倒數和振型的函數，隨著頻率的增大，柔度矩陣中高頻率的倒數影響可以忽略不計，這樣只要測量前幾個低階模態參數和頻率就可獲得精度較好的矩陣，根據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

當一個結構發生損傷時，剛度矩陣所提供的信息一般比質量矩陣多，當結構發生較大損傷時，其剛度將發生顯著的變化；但是，結構發生微小的損傷（譬如小于 5%）時，這類方法將不能進行損傷識別。

3.5基于頻響函數（傳遞函數）變化的損傷診斷方法

由于損傷引起的頻響函數的變化唯一地由損傷的類型和位置確定，雖然頻響函數的信息量大，但是損傷診斷僅利用頻響函數的一列數據。有學者利用頻響函數數據和有限元模型，結合最小秩攝動理論，并假設所有產生損傷的方案情況，成功地對一桁架結構進行了損傷識別。也有其他學者提出了一種傳遞函數識別損傷的方法，即頻響函數曲率法。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、結構損傷診斷方法的研究展望

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

4.1結構損傷機理的研究

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構壽命的影響問題。

4.2識別小損傷的研究

對于大型結構，大損傷對系統參數有較大的影響，而小損傷對系統參數影響較小，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，有些大型結構海洋平臺、高層建筑、大型橋梁等，小損傷在較短的時間內發展為大損傷。雖然小損傷對系統參數影響較小，但對局部參數影響較大。所以，小損傷的識別是一個很值得研究的方向。

4.3傳感器優化布置的研究

結構損傷診斷要求傳感器有完整的功能，能測量外部環境狀況的變化。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要能提供這種多元的信息。參數值的估計涉及到代表真實結構數學模型的局限性引起的不確定性、數據中的測量誤差、不足的激勵和響應帶寬等。特別地，結構中傳感器的數量和位置對模型參數估算的質量和偏差有主要的影響。因為獲得完整的模態數據對于一個大型結構是不可能的，測量只能得到關于有限元模型所有自由度的一部分模態；在橋梁結構中，這種差異會導致模態擴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致損傷檢測難度加大。一種替代的方法是用測量的不完整的模態來檢測損傷，然后收集更多相關的信息，可以方便地用于損傷檢測。靜力和動力數據來自各種安裝在測量結構中的傳感器，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化或接近最優化的布置。

4.4基于多學科交叉的損傷診斷方法的研究

由于各類大型復雜結構都有自己的特點，包含了機械工程、建筑工程、材料工程和振動理論等多門學科知識，動力學方法不能夠完全取代現有的結構評估中的調查及檢測程序。因此，研究結構的損傷診斷，把振動理論與信號處理、模式識別、人工智能、控制理論和材料結構等多學科技術結合起來是一個發展趨勢。

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、連續性和預測性，有巨大的實用價值和理論價值且應用前景廣闊。目前，對該類方法的研究是一個發展趨勢，但需要解決的理論問題很多。

4.6分類法

工程結構力學行為具有隨機性、模糊性和典型的個性特征，將結構類型及損傷特征進行分類，再用診斷的手段量化損傷特征，也許可以提高診斷的準確性和效率。此外，診斷方法應與結構可靠度理論相聯系，而損傷診斷的最終目的就是評估結構的可靠度。

5、結束語

綜上所述，伴隨著現代社會的飛速發展，一些在役建筑物，隨著年代的久遠已出現不同程度的損害，始終威脅著人們的生命財產安全，對它們的損傷診斷就顯得非常迫切，另一方面各種大型復雜的土木工程結構迅速崛起，由于各種土木結構復雜性和其使用時的重要性，必須對出現損傷進行及時診斷。因此，加強對建設工程結構損傷診斷方法的研究是當前結構工程學科十分活躍的研究領域，其具有著廣泛而深遠的意義，需要我們在以后的工作學習中不斷努力。

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