基于模態參數的建筑結構損傷識別進展

[摘要]建筑結構在其正常使用過程中會遭受到各種情況的損傷，而一些不易被檢測到的損傷可能會持續發展并導致結構的破壞。基于此，近年來有關結構損傷識別的研究受到了廣泛的關注，而基于模態參數的損傷識別方法是目前較為廣泛應用的方法。

[關鍵詞]建筑結構；模態參數；損傷識別 文章編號：2095-4085（2016）03-0062-02

近年來，我國經濟持續發展，建筑結構朝著大跨度、高層的方向發展。地震，颶風等自然災害以及爆炸火宅等因素對建筑結構造成了較大的損傷，建筑結構在使用過程中，也會受到復雜自然環境的侵蝕以及人為因素的破壞，這樣會造成結構損傷。當結構損傷達到一定的程度以后，建筑結構的安全性就得不到保障，因此對建筑結構進行損傷識別是十分有必要的。

目前，建筑結構的損傷識別分為靜力檢測以及動力檢測，對于大多數建筑結構的損傷檢測主要還是以靜態監測為主。但是靜態監測的檢測周期較長，而且設備繁雜，影響建筑結構的正常使用，同時檢測過程中又能對建筑結構造成新的破壞。隨著現代技術的發展，動力檢測的損傷識別精度越來越高，而且具有無損、高效的特點。

1模態參數識別的基本方法

近年來出現了較多使用不同模態參數和算法識別損傷的方法，其以及在建筑結構損傷領域顯示出了其強大的優勢。模態參數識別是通過對建筑結構進行激勵，得到建筑結構的響應，進而確定建筑結構的動力特性參數即模態參數。目前建筑結構的模態參數識別主要是經典的傳遞函數模態分析法以及基于環境激勵的模態參數識別¨J。傳遞函數模態分析法是同時利用激勵的力以及輸出響應進行參數識別，而基于環境激勵的模態參數識別則不需要對激勵進行激勵，僅僅利用建筑結構的響應即可識別模態參數。主要的基于環境激勵的模態識別方法有峰值拾取法以及頻域分解法。

1.1峰值拾取法

峰值拾取法假定建筑結構響應的互功率譜峰值僅僅由一個模態決定，利用建筑結構響應的互功率譜替代其頻響函數。因此可以通過功率譜峰值對應的頻率值得到建筑結構的固有頻率值，根據建筑結構的實際工作撓度比值得到結構的模態振型。峰值拾取法由于其識別方法簡單，操作便捷等優勢，在建筑結構的模態參數識別中應用最為廣泛。但是其不能識別密集模態，對于建筑結構的阻尼比識別誤差較大。

1.2頻域分解法

頻域分解法是基于白噪聲激勵識別模態參數的方法，在原理上與峰值拾取法基本一致，并且克服了峰值拾取法的不足，在識別過程中，建筑結構的固有頻率以及阻尼是由對應單自由度相關函數的對數衰減中得到。因此，頻域分解法的主要工作原理是對響應功率譜進行奇異值分解，將其分解為相應多階模態的一組單自由度結構功率譜函數。

2基于模態參數的建筑結構損傷識別

基于模態參數的建筑結構損傷識別主要的原理是根據結構的自振微分方程（式1），通過識別得到的固有頻率、振型、阻尼等模態參數與建筑結構的質量、剛度、材料特性等物理力學參數存在對應關系。因此建筑結構出現損傷時，必然會導致模態參數發生變化，根據模態參數的變化程度判斷建筑結構的損傷程度以及損傷位置。

早期運用直接比較模態參數的辦法進行建筑結構的損傷判斷，此法計算簡單。對于直接比較建筑結構的固有頻率變化不包含空間信息，無法判斷損傷位置。通過比較振型變化，現在常用的是利用MAC（模態置信度因子）判斷建筑結構的損傷位置，MAC表示了兩組模態振型的相關程度，MAC值用于識別每個子結構中的損傷，為0時損傷較大，為1時一致。但是通過振型比較對于局部損傷較為敏感的高階模態的準確率較低。因此，隨著技術的不斷發展，各類改進的損傷識別理論被提出。

朱宏平利用建筑結構自振頻率較低及環境激勵下結構響應信噪比低的特點，運用小波變換降噪處理，抑制原始信號的噪音部分（高頻）。徐飛鴻通過構建柔度相對變化率矩陣，并對其進行差分處理，得到其曲率矩陣，并將每列絕對值最大值作為損傷識別指標。羅姍姍等對某網殼結構進行數值分析，并將損傷前后的模態曲率作為損傷指標進行連續小波變換，從而判斷損傷位置。張力通過砌體結構的低階模態參數，結合差異演化算法對砌體結構層間剛度進行識別。孫紅躍以框架建筑的固有頻率的變化為基本參數，利用BP神經網絡進行訓練，進而得到建筑結構損傷識別的方法。

3結語

基于模態參數的建筑結構損傷識別的研究工作進展迅速，有效的提高了準確性和可靠度，但是由于建筑結構的損失與其成因之間又較復雜的關系，且影響因素的不確定性和隨機性較大。在運用模態參數對建筑結構進行識別的時候還要進一步減少測試信號的誤差，并且提高抗干擾能力，提出綜合的損傷判定標準。