淺談水工近況及結構模態辨識理論

郜迪+張金

摘 要：水工建筑物結構的安全問題關乎全國人民的幸福、國家的興旺以及民族的復興。只有把它控制在對人類有利的范圍內，我國才能繼續前行。因此，結構模態辨識方法就需要大眾了解并很好地運用。只有這樣達到實時檢測水工結構，才不會給危害留有一點機會。

關鍵詞：水工建筑物結構；模態參數；激勵；損傷；健康監測；辨識方法

我國水能資源居世界首位，開發的重點在西南的金沙江和大渡河等干支流以及西北的黃河上游，這些河流具有高水頭、狹窄河谷、大流量、地質條件復雜等特點。在這些地方修建高壩大型水庫，其泄洪能力往往是很大的，能夠達到國外同類工程的幾倍甚至幾十倍。因此，一個重要的問題擺在面前：那就是大型水利工程結構泄流安全問題，這也是我國水利水電工程建設中急需要解決的難題，且國外沒有成功的經驗可以直接借鑒。水利工程的安全問題是我國每個人都非常關心的問題，因為它涉及到每個人的人身安全。為了保障水電站大壩的安全和對它進行時刻監控，國家統一對大壩的安全狀況進行定期抽樣檢查，定檢結果如下：一直到1999年年底，我國已有30413座大壩存在一定問題，從1999-2002年，垮壩達245座；在我國以發電為主的130多座水電站大壩中，存在9座病險大壩，對附近的人民幸福生活存在很大隱患。經過仔細檢查發現，這些病危大壩存在的主要問題是由多次洪水沖刷、施工質量不過關、工程設計的不是很完善、運行管理的松懈以及檢測不到位等問題引起的。其中，高混凝土壩存在裂縫等安全問題，也需要同等的檢測保養。

通過以上的一系列問題可以看出，我國水工建筑物結構安全問題存在很大隱患，有各種問題急需解決。尤其是始建于20世紀五六十年代的大壩和水庫，由于那時技術有限、著急趕工期等因素，對建筑物的設計不是很完善。加上施工質量不達標以及管理松懈、監管不到位等原因，使得水工建筑物在很多部位都存在著一定的破損。再過幾十年，將會有大量水工建筑物達不到標準，產生一系列問題。如果這些問題不能得到有關部門的及時處理，任由其破損下去，會對附近及整個國家產生極大損失，人民的幸福生活也得不到保障，我國的生態環境和我國經濟實力都會相對程度地削弱。這是所有人都不想看到的，所以對其進行檢修勢在必行。

我國已經注意到這些問題的嚴重性，已采取一系列措施來改善水工建筑物的安全問題。需要想的是，如何通過一定的措施，水工建筑物安全健康狀況的評估和監控更加合理化和科學化。要對病危的建筑物進行修復，以保證其能夠繼續安全運行下去，這是重中之重的問題，也是需要我們盡快解決的。

在研究重大結構災變行為和健康監測時，首先遇到的關鍵問題之一，就是正確地辨識或監測結構工作的特性?？梢园阉そㄖ锝Y構的模態辨識分為兩部分：一是傳統的結構模態辨識，其工作原理主要是用結構物件振動的輸入和輸出數據來辨識結構的模態參數，主要的分析方式是依據單輸入和單輸出頻域分析方法，或者依據多輸入和多輸出的頻域分析方法；二是環境激勵的結構模態參數辨識，此原理主要是把環境激勵作為結構的輸入，通過結構輸出數據和部分輸入數據，或僅利用輸出數據來辨識結構的模態參數，環境激勵的結構模態分析方法主要應用于正在處于工作狀態的水工建筑物結構。

1 傳統的模態參數辨識方法

傳統水工結構模型的模態試驗一般主要是沖擊錘激振方法，這個方法運行不復雜，方便實施。為了能達到一定的精確度，該方法還要結合測量結構的傳遞函數。只要是通過對結構的激勵和響應信號在頻域內進行同步分析和處理得到的傳遞函數，就可以進行相應計算，得出結論。

由于水工結構模型是按原水工建筑物一定比例尺縮小的模型，結構剛度相對來說小，這個方法的精度比較高。尤其是在一些其他領域的應用非常廣泛，得到了普遍的認可。另外，就大型水工結構的原型動力試驗來說，其主是要研究建筑物結構的某一特定性能在特定的條件下進行的一系列特定的試驗。

2 環境激勵的結構模態參數辨識方法

環境激勵下的工程結構參數辨識，國內外有相應的發展過程，國外的相對來說研究的較早。早在20世紀60年代，Clarkson B. L.等通過相關函數分析隨機激勵下小阻尼結構的響應，Crawford R.等運用環境激勵對樓房進行了具體的分析。在接下來幾十年的發展中，隨著其他的方面迅猛發展，環境激勵法也取得了一定的發展，在其他領域也得到了廣泛的應用。為解決工程上的問題提出的一系列辨識方法，環境激勵方法又進一步發展。

傳統的水工結構模態參數辨識方法已經在水工建筑物結構分析中取得了大眾的認可，但是傳統的方法也有一些避免不了的問題，一直困擾著大家。首先，在對水工建筑物進行人工激勵時，由于操作起來難度較大，并且還需要高昂的設備以及專業的技術人員來操控，相對成本較高，并且它也有可能會影響建筑物的正常工作。這不僅耗費大量的人力，其造成的經濟損失也是不可估量的。其次，人工激勵的不確定性也非常可能對建筑物的結構造成一定量的損傷。因為傳統的模態測試時，要對現場和道路進行封閉。由于所謂的在線試驗是根本達不到的目標，因此也就無法對建筑物結構進行實時監測，這是一個非常重要的問題，它做不到對建筑物結構的安全問題進行檢測。

世間萬事萬物都有其利弊，傳統方法也是如此，它也有其有利的一方面。首先，只需要注意測試結構在監測情況下的響應數據，就可以辨識結構的模態參數，不需對結構再次施加激勵，因為激勵是未知的，所以僅需通過儀器對實測結構在水流等激勵下的響應數據，就可以辨識出結構的工作模態參數，這樣就能對結構進行監控和實測，簡單和便捷。其次，是有很強的經濟性。因為該辨識方法不需要額外施加人工激勵，基本全靠環境帶給結構的激勵，省去了大量的人力和物力。這樣節省下來一大筆資金，可以減小預算，同樣對水工建筑物結構不會造成必要的損傷。最后，通過在環境激勵的情況下，用對建筑物結構實測的數據來辨識結構參數，能夠辨識由于環境激勵引起的模態參數變化。這個優點對由于無法施加人工有效激勵、從而無法辨識這些結構的模態參數的傳統方法而言，是一大特點。通過其解決了一系列工程上的疑難雜癥，取得了大眾的認可。

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