基于結構動力特性的損傷識別方法綜述

孫勝杰

（聊城大學，山東 聊城 252000）

土木建筑結構在使用過程中會受到各種自然和人為的影響，包括地震，臺風，火災和環境腐蝕，這些都會損壞結構組件。某些損傷的累積會降低零件的可靠性并破壞整個結構。因此，如何對結構進行損傷識別是重中之重。

1 概述

損壞識別是與損壞相關的信息的過程，例如結構是否損壞，其位置以及損壞程度。任何結構都可以認為是由阻尼、剛度和質量組成的機械系統。如果結構損壞，結構參數將相應更改。損傷診斷問題一般可分為三個子問題：1）損傷識別：確定是否存在結構損壞，是結構損壞診斷的基礎；2）損傷定位：當結構損壞時，找到損壞的確切位置是結構損壞診斷中的核心問題，也是難題；3）損傷程度判定：可以判斷結構損壞的程度，這是評估結構完整性，維護或加固維修的基礎。

用于識別損壞的物理量可以是整體量，例如結構的自然頻率，但是在直接損壞的位置使用的物理量最好是局部量。當前必須滿足四個基本條件：1）敏感于局部破壞和結構破壞的單調作用；2）位置坐標清晰；3）在損傷部位，損傷識別量應有較大的峰值變化。在非損壞位置，損壞標識必須在預設閾值以下變化（損壞標識可以是結構的物理參數或模態函數，例如剛度矩陣，質量矩陣，阻尼矩陣等，也可以是模式形狀，頻率等）[1]。

2 基于結構動力特性的損傷識別法

1）基于頻率變化的結構損傷識別法。結構的固有頻率與結構的整體質量和整體剛度具有特定的功能關系。當結構的一部分損壞時，其剛度會降低，而當結構的剛性降低時，頻率也會發生變化。 另外，由于結構的頻率在實際工程中易于測量，因此許多學者認為固有頻率是識別結構損壞的重要指標。Cawley和Adams已經提出了利用結構損壞前后的頻率來識別損壞的方法[2]，研究表明，如果結構損壞是單個損壞，則損壞前后變化的次級頻率的比率僅與位置有關。使用固有頻率的變化來識別損傷的優勢在于，固有頻率易于獲得且測試相對準確。但是，實踐表明該類技術在應用上還有一些不足：（1）固有頻率可能對結構的初始損傷不是很敏感，也無法通過固有頻率的變化來識別。（2）如果損壞部位在結構的高應力區域中，則通過使用固有頻率的變化來識別損壞會更可靠，而在結構的低應力區域中，使用固有頻率進行識別是不可靠的。

2）基于剛度變化得結構損傷識別法。當結構損壞時，剛度矩陣通常比質量矩陣提供更多的信息。大量學者正在研究使用剛度矩陣的變化來識別損壞，因為當結構損壞時剛度會發生顯著變化。但是，如果結構受到輕微損壞，則這種方法無法識別損壞。診斷結構損傷時，也會考慮使用剛度矩陣來確定結構損傷，因為損傷主要表現為剛度的降低。

3）基于柔度曲率的結構損傷識別法。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，柔度矩陣中高階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。當結構發生損傷后，因其剛度下降，其損傷前后的柔度矩陣也會發生改變，且損傷程度越大，柔度矩陣的改變量也越大。根據損傷前后的兩個柔度矩陣獲得其差值矩陣，可求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。

4）基于模態曲率的結構損傷識別法。對結構的局部損壞導致結構的局部剛度減小，而梁結構的剛度減小導致梁的曲率增大。參考文獻[3]指出，模態形狀比其他動態參數對局部損傷更敏感。對應于相關的位移模態，模態曲率是彎曲結構動力學特性的另一個標志，但模態曲率對結構局部幾何尺寸的變化和內部損傷更敏感。

5）基于模態振型變化的結構損傷識別法。損傷的方法有兩種：一種是直接使用損傷之前和之后的模態形狀來區分對結構的損傷，但是這種方法使得難以實現大型復雜結構的精確定位。另一種是根據模式形狀（MAC，COMACD等）創建損傷識別量，并使用該識別量識別結構的損傷，但是在實際測試中無法測量結構的旋轉自由度。

6）基于損傷因子的結構損傷識別法。當結構發生損傷后，結構損傷單元的剛度矩陣會降低。因此，可用公式kde=kue(1-Δae)來表示結構損傷單元的剛度，Δae為損傷因子，其取值范圍為0～1，當Δae=1時，即結構完全損傷，當Δae=0，即結構未發生損傷。

7）基于殘余力向量的結構損傷識別法。基于殘余力向量結構損傷識別法的本質是利用結構損傷前后模態參數變化的特性進行損傷識別。史治宇[4]等人提出了一種利用模態應變能變化率的基本理論識別結構破壞要素的方法。此方法僅需要損壞前后的結構中每個單元的模態形狀以及未損壞結構（未損壞結構）的元素剛度矩陣，從而可以定位損壞結構的位置。通過數值算例的研究，證明了該方法可以有效地確定受損單元的位置。另外，該方法僅需要一些低階模式，不需要完整的損壞信息即可準確定位。在實際工程中，低階模式易于測量且準確。因此，該方法具有較高的實用價值。但是，該方法對于多損傷定位以及小損傷定位存在一定的誤差。

3 目前存在的問題與建議

1）基于動力特性的損傷識別方法都有各自的局限性，受諸多條件限制。

2）現今階段對于橋梁、框架結構和鋼結構的損傷識別方法日趨成熟，但是對于木結構古建筑的識別相對較少，由于木材的特殊性，加上其榫卯節點和斗拱層的柔性作用，現今階段的損傷識別大都是對于單個梁或者柱構件進行損傷識別，對于整體結構的損傷識別方法還不完善。

3）現有的振動測試方法主要是基于理論分析和數值模擬，而很少有通過模型測試和實際工程應用得到驗證的方法。 基于振動測試的狀態評估研究相對較少，在理論和工程應用中還沒有統一的方法或評估標準。

基于目前研究現狀，對于木結構的損傷識別還處于初級階段，可利用有限元模擬與振動臺實驗雙向探索，尋找適合木結構的損傷識別方法；國內應開設大型結構的試驗對損傷識別的探索給予支持為探索新的研究方法做基礎；且應整合出臺不同結構損傷識別標準的規范和評定標準。

4 結語

國內外對損壞的識別的結構性損壞的發現已經相對成熟，目前關于識別損傷的研究集中于識別結構損傷識別的第二階段，即結構損傷的位置。由于各種不確定因素的影響對結構造成的破壞程度的第三階段，即定級研究仍處于起步階段。損傷識別一直作為建筑結構亟待解決的問題之一，對結構穩定與否起著舉足輕重的作用。如何合理有效的進行損傷識別，還有待深入研究。