結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究

黃晶晶　韓偉

【摘要】對現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識別方法進行概括，并對其進行簡要的介紹。根據(jù)每種方法的特點分析其適用條件和優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)損傷識別；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；小波變換

0、前言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代化建筑物越修越高，越修越復(fù)雜，由于各種自然荷載和人為荷載的不斷作用，使得構(gòu)件內(nèi)部或構(gòu)件之間連接出現(xiàn)損傷，這間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降，而且結(jié)構(gòu)從投入使用開始就面臨著損傷累計的問題，并且這些建筑物服役的年限越來越長，一旦發(fā)生事故，將會造成不可估量的人身和財產(chǎn)損失。一般損傷識別研究主要分為兩部分：一是對損傷位置的識別；二是對損傷程度的判斷。

1、結(jié)構(gòu)損傷識別的研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于結(jié)構(gòu)損傷識別的問題日益成為國內(nèi)外的熱點問題。對于工程結(jié)構(gòu)進行損傷研究開始于20世紀40年代，近幾十年結(jié)構(gòu)損傷識別的理論研究取得了飛速發(fā)展，但在實際工程中的應(yīng)用卻很有限。結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)基本上可以分為兩大類：局部損傷識別和整體損傷識別。

1.1 結(jié)構(gòu)損傷識別的局部法

目前常用的局部損傷識別方法有目測法、染色法、聲發(fā)射法、射線法、磁擾動法等，該法是對結(jié)構(gòu)的局部進行定期檢查。局部損傷識別廣泛應(yīng)用于船舶等領(lǐng)域，但也存在著很多限制和弊端，如：該法只適用于小型結(jié)構(gòu)的損傷檢測，而對大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)損傷識別并不明顯，另外，無法對某些結(jié)構(gòu)實施在線及時的檢測。但將傳感器固定在一些重要部件上，對這些部件進行遠距離在線檢測，較好的彌補了這一缺陷。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、公路橋梁和民用建筑，其優(yōu)點是可以直接確定構(gòu)件的裂紋及其位置。局部損傷識別技術(shù)對于壓力容器、油箱等小型有規(guī)則的結(jié)構(gòu)能有很好的識別效率，但對于大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)用來檢測結(jié)構(gòu)的每一部分是不可能的。因此，局部損傷識別技術(shù)僅適用于檢測結(jié)構(gòu)的特別部件或局部結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)損傷識別的整體法

結(jié)構(gòu)損傷識別的局部法只適用于小型簡單結(jié)構(gòu)的損傷識別，因此基于多學(xué)科交叉的原理，得出了損傷識別技術(shù)的基礎(chǔ)理論。結(jié)構(gòu)可以看作由剛度、質(zhì)量、阻尼矩陣組成的力學(xué)系統(tǒng)，因此尋求物理參數(shù)和模態(tài)參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系便成為結(jié)構(gòu)損傷識別的核心問題。一般方法如動力指紋分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換法和遺傳算法等。

1.2.1 動力指紋分析法

1.基于結(jié)構(gòu)固有頻率的識別方法

在實際工程中結(jié)構(gòu)的固有頻率最容易獲得，與測量位置無關(guān)，且結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)和頻率之間處于某種對應(yīng)的關(guān)系。該方法具有測量精度較高、簡單易行等優(yōu)點。但其缺點也同樣明顯：結(jié)構(gòu)固有頻率是一個全局量，對結(jié)構(gòu)特征的局部變化不是很敏感；高階頻率對結(jié)構(gòu)的局部損傷較低階頻率敏感，但又難于測量。

2.基于結(jié)構(gòu)振型變化的識別方法

結(jié)構(gòu)振型的測試精度雖然低于固有頻率，但它包含了更為豐富的損傷信息，相較于固有頻率也更為敏感。該法的優(yōu)點是其反映的結(jié)構(gòu)信息更加完整，可以有效的識別結(jié)構(gòu)一處和多處損傷的位置以及損傷程度，且對結(jié)構(gòu)的小損傷較敏感。但存在著需要非常密集的測點、測量振型不完整和噪聲的影響等問題，而使得其無法廣泛的應(yīng)用。

1.2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別損傷的基本原理是：根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同損傷狀態(tài)，提取其特征參數(shù)，選擇對結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變敏感的參數(shù)作為結(jié)構(gòu)損傷指標即網(wǎng)絡(luò)輸入向量，將對應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)作為輸出向量進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立損傷指標與損傷狀態(tài)之間的非線性映射關(guān)系，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)判斷其損傷狀態(tài)。具有以下幾個特性：自適應(yīng)性、并行性、非線性、容錯性。

1.2.3 小波變換法

小波變換是一種新的變換研究法，它在繼承并發(fā)展短時的傅立葉局部化變換思想的同時，克服了其窗口的大小不會隨頻率改變等缺點，提供了一個能隨頻率變化的時間—頻率窗口，是一種進行信號時頻分析處理的理想工具。其主要的特點是能夠通過變換來充分突出某個問題的幾個方面，因此小波變化法更適用于分析難以識別的局部性損傷。但由于所選取的基函數(shù)不同，而導(dǎo)致該法所分析的結(jié)果也不同，因此基函數(shù)的選取是目前該方法主要的研究方向。

1.2.4 遺傳算法

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學(xué)機理的生物進化過程的計算模型，是一種模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法，其基本原理是：將問題的解表示成一個染色體群，將其置于問題環(huán)境中，根據(jù)生物進化優(yōu)勝劣汰的原則，通過循環(huán)執(zhí)行選擇、交叉、變異等操作，逐步逼近全局最優(yōu)解。其應(yīng)用于實際大型復(fù)雜工程時計算量過大，因此還需更加深入的研究。

2、結(jié)論與展望

上述各種損傷識別的方法一般應(yīng)用于數(shù)值模擬或?qū)嶒炛小Ｓ捎跍y量環(huán)境和噪音等因素的影響，使得各種方法在實際應(yīng)用中的誤差較大而得不到滿意的結(jié)果。因此，我們需要進一步深入的研究，以此能準確識別結(jié)構(gòu)損傷識別的位置以及程度。尋找新的結(jié)構(gòu)動力參數(shù)或進行組合使用，使其對結(jié)構(gòu)損傷更為敏感，以及對噪音等環(huán)境影響有較好的抗干擾能力；尋求組合的損傷識別方法，以期望能更高效、準確的進行結(jié)構(gòu)的損傷識別；對于結(jié)構(gòu)損傷位置及其程度的識別固然重要，但對于損傷結(jié)構(gòu)的承載力以及使用壽命也較為關(guān)鍵。因此，只有不斷地進行深入研究，才能更為有效的進行結(jié)構(gòu)的損傷識別，保證建筑物的安全性以及人身安全。

參考文獻：

[1] 李宏男，李東生. 土木工程結(jié)構(gòu)安全性評估、健康監(jiān)測及診斷述評[J]. 地震工程與工程振動，2002，22（3）：82-90.

[2] 宗超. 建筑物結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 價值工程，2010，29（27）：120-121.

[3] 杜德潤，仇德倫，李愛群等. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 無損檢測，2004，26（8）：383-387.

[4] 危玉蓉. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的EMI結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及損傷檢測研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2010：23.

[5] 程海根，盛雙福，張顯昆等. 基于遺傳算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)損傷識別[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，22（5）：82-85，92.