基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法綜述

孫勝杰

（聊城大學(xué)，山東 聊城 252000）

土木建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中會(huì)受到各種自然和人為的影響，包括地震，臺(tái)風(fēng)，火災(zāi)和環(huán)境腐蝕，這些都會(huì)損壞結(jié)構(gòu)組件。某些損傷的累積會(huì)降低零件的可靠性并破壞整個(gè)結(jié)構(gòu)。因此，如何對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別是重中之重。

1 概述

損壞識(shí)別是與損壞相關(guān)的信息的過程，例如結(jié)構(gòu)是否損壞，其位置以及損壞程度。任何結(jié)構(gòu)都可以認(rèn)為是由阻尼、剛度和質(zhì)量組成的機(jī)械系統(tǒng)。如果結(jié)構(gòu)損壞，結(jié)構(gòu)參數(shù)將相應(yīng)更改。損傷診斷問題一般可分為三個(gè)子問題：1）損傷識(shí)別：確定是否存在結(jié)構(gòu)損壞，是結(jié)構(gòu)損壞診斷的基礎(chǔ)；2）損傷定位：當(dāng)結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，找到損壞的確切位置是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損壞的程度，這是評估結(jié)構(gòu)完整性，維護(hù)或加固維修的基礎(chǔ)。

用于識(shí)別損壞的物理量可以是整體量，例如結(jié)構(gòu)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(dāng)前必須滿足四個(gè)基本條件：1）敏感于局部破壞和結(jié)構(gòu)破壞的單調(diào)作用；2）位置坐標(biāo)清晰；3）在損傷部位，損傷識(shí)別量應(yīng)有較大的峰值變化。在非損壞位置，損壞標(biāo)識(shí)必須在預(yù)設(shè)閾值以下變化（損壞標(biāo)識(shí)可以是結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)或模態(tài)函數(shù)，例如剛度矩陣，質(zhì)量矩陣，阻尼矩陣等，也可以是模式形狀，頻率等）[1]。

2 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別法

1）基于頻率變化的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。結(jié)構(gòu)的固有頻率與結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量和整體剛度具有特定的功能關(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)的一部分損壞時(shí)，其剛度會(huì)降低，而當(dāng)結(jié)構(gòu)的剛性降低時(shí)，頻率也會(huì)發(fā)生變化。 另外，由于結(jié)構(gòu)的頻率在實(shí)際工程中易于測量，因此許多學(xué)者認(rèn)為固有頻率是識(shí)別結(jié)構(gòu)損壞的重要指標(biāo)。Cawley和Adams已經(jīng)提出了利用結(jié)構(gòu)損壞前后的頻率來識(shí)別損壞的方法[2]，研究表明，如果結(jié)構(gòu)損壞是單個(gè)損壞，則損壞前后變化的次級(jí)頻率的比率僅與位置有關(guān)。使用固有頻率的變化來識(shí)別損傷的優(yōu)勢在于，固有頻率易于獲得且測試相對準(zhǔn)確。但是，實(shí)踐表明該類技術(shù)在應(yīng)用上還有一些不足：（1）固有頻率可能對結(jié)構(gòu)的初始損傷不是很敏感，也無法通過固有頻率的變化來識(shí)別。（2）如果損壞部位在結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)域中，則通過使用固有頻率的變化來識(shí)別損壞會(huì)更可靠，而在結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力區(qū)域中，使用固有頻率進(jìn)行識(shí)別是不可靠的。

2）基于剛度變化得結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。當(dāng)結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，剛度矩陣通常比質(zhì)量矩陣提供更多的信息。大量學(xué)者正在研究使用剛度矩陣的變化來識(shí)別損壞，因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)損壞時(shí)剛度會(huì)發(fā)生顯著變化。但是，如果結(jié)構(gòu)受到輕微損壞，則這種方法無法識(shí)別損壞。診斷結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，也會(huì)考慮使用剛度矩陣來確定結(jié)構(gòu)損傷，因?yàn)閾p傷主要表現(xiàn)為剛度的降低。

3）基于柔度曲率的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。在模態(tài)滿足歸一化的條件下，柔度矩陣是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù)。隨著頻率的增大，柔度矩陣中高階頻率的倒數(shù)影響可以忽略不計(jì)。這樣只要測量前幾個(gè)低階模態(tài)參數(shù)和頻率就可獲得精度較好的矩陣。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，因其剛度下降，其損傷前后的柔度矩陣也會(huì)發(fā)生改變，且損傷程度越大，柔度矩陣的改變量也越大。根據(jù)損傷前后的兩個(gè)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(tài)曲率的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。對結(jié)構(gòu)的局部損壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部剛度減小，而梁結(jié)構(gòu)的剛度減小導(dǎo)致梁的曲率增大。參考文獻(xiàn)[3]指出，模態(tài)形狀比其他動(dòng)態(tài)參數(shù)對局部損傷更敏感。對應(yīng)于相關(guān)的位移模態(tài)，模態(tài)曲率是彎曲結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的另一個(gè)標(biāo)志，但模態(tài)曲率對結(jié)構(gòu)局部幾何尺寸的變化和內(nèi)部損傷更敏感。

5）基于模態(tài)振型變化的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)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(tài)形狀來區(qū)分對結(jié)構(gòu)的損傷，但是這種方法使得難以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確定位。另一種是根據(jù)模式形狀（MAC，COMACD等）創(chuàng)建損傷識(shí)別量，并使用該識(shí)別量識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷，但是在實(shí)際測試中無法測量結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度。

6）基于損傷因子的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，結(jié)構(gòu)損傷單元的剛度矩陣會(huì)降低。因此，可用公式kde=kue(1-Δae)來表示結(jié)構(gòu)損傷單元的剛度，Δae為損傷因子，其取值范圍為0～1，當(dāng)Δae=1時(shí)，即結(jié)構(gòu)完全損傷，當(dāng)Δae=0，即結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷。

7）基于殘余力向量的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法。基于殘余力向量結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法的本質(zhì)是利用結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)參數(shù)變化的特性進(jìn)行損傷識(shí)別。史治宇[4]等人提出了一種利用模態(tài)應(yīng)變能變化率的基本理論識(shí)別結(jié)構(gòu)破壞要素的方法。此方法僅需要損壞前后的結(jié)構(gòu)中每個(gè)單元的模態(tài)形狀以及未損壞結(jié)構(gòu)（未損壞結(jié)構(gòu)）的元素剛度矩陣，從而可以定位損壞結(jié)構(gòu)的位置。通過數(shù)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(zhǔn)確定位。在實(shí)際工程中，低階模式易于測量且準(zhǔn)確。因此，該方法具有較高的實(shí)用價(jià)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(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法都有各自的局限性，受諸多條件限制。

2）現(xiàn)今階段對于橋梁、框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法日趨成熟，但是對于木結(jié)構(gòu)古建筑的識(shí)別相對較少，由于木材的特殊性，加上其榫卯節(jié)點(diǎn)和斗拱層的柔性作用，現(xiàn)今階段的損傷識(shí)別大都是對于單個(gè)梁或者柱構(gòu)件進(jìn)行損傷識(shí)別，對于整體結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法還不完善。

3）現(xiàn)有的振動(dòng)測試方法主要是基于理論分析和數(shù)值模擬，而很少有通過模型測試和實(shí)際工程應(yīng)用得到驗(yàn)證的方法。 基于振動(dòng)測試的狀態(tài)評估研究相對較少，在理論和工程應(yīng)用中還沒有統(tǒng)一的方法或評估標(biāo)準(zhǔn)。

基于目前研究現(xiàn)狀，對于木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別還處于初級(jí)階段，可利用有限元模擬與振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)雙向探索，尋找適合木結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法；國內(nèi)應(yīng)開設(shè)大型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)對損傷識(shí)別的探索給予支持為探索新的研究方法做基礎(chǔ)；且應(yīng)整合出臺(tái)不同結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和評定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

國內(nèi)外對損壞的識(shí)別的結(jié)構(gòu)性損壞的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)相對成熟，目前關(guān)于識(shí)別損傷的研究集中于識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的第二階段，即結(jié)構(gòu)損傷的位置。由于各種不確定因素的影響對結(jié)構(gòu)造成的破壞程度的第三階段，即定級(jí)研究仍處于起步階段。損傷識(shí)別一直作為建筑結(jié)構(gòu)亟待解決的問題之一，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否起著舉足輕重的作用。如何合理有效的進(jìn)行損傷識(shí)別，還有待深入研究。