結(jié)構(gòu)損傷識別綜述

(廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)起源于二十世紀五六十年代，最初主要是在航空航天領(lǐng)域進行結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測。結(jié)構(gòu)損傷識別[1]是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心，結(jié)構(gòu)損傷識別即是對結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測與評估，以確定結(jié)構(gòu)是否有損傷存在，進而判斷損傷的位置和程度，以及結(jié)構(gòu)當前的狀況、使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢等。Doebling和Rytter將結(jié)構(gòu)損傷識別分為四個層次:(1)確定損傷的存在；(2)確定損傷的位置；(3)評估損傷程度；(4)預(yù)測結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。目前結(jié)構(gòu)損傷識別研究的重點還集中在(2)(3)上。

結(jié)構(gòu)損傷檢測技術(shù)按檢測目標可分為局部檢測和整體檢測[2]。局部檢測法，是依靠成熟的無損檢測技術(shù)來對結(jié)構(gòu)的某個特殊部位進行監(jiān)測，進而判斷該部位是否發(fā)生損傷及損傷的原因和程度[3]。局部檢測法包括目測法、超聲波法、X射線法、光學反射鏡法等。但是局部檢測方法需要預(yù)先知道結(jié)構(gòu)損傷的大體位置，并且要求檢測儀器能夠到達損傷區(qū)域，不能對無法接近或隱蔽的部位實施檢測，不適于結(jié)構(gòu)實時在線健康監(jiān)測。

整體檢測法按測試方式又可分為靜態(tài)檢測法和基于振動的檢測方法。靜態(tài)檢測法是對結(jié)構(gòu)施加靜力荷載，建立靜力平衡方程，根據(jù)實測結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)得到靜力參數(shù)(如剛度、位移、應(yīng)變、彈性模量、慣性矩等)，通過對結(jié)構(gòu)的分析得到與損傷相關(guān)的力學指標。靜態(tài)檢測獲得的數(shù)據(jù)準確可靠，但工作量巨大，實際施加荷載困難，對于大型復雜的結(jié)構(gòu)，往往只能獲取局部信息，所以基于振動的測試相比靜態(tài)測試容易的多?；谡駝拥臋z測法的基本原理是，結(jié)構(gòu)的動力參量(固有頻率、模態(tài)振型、阻尼等)是其物理參量(剛度、質(zhì)量、阻尼、邊界約束等)的函數(shù)，結(jié)構(gòu)損傷會引起結(jié)構(gòu)物理參量改變，進而引起動力參量改變。通過安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感設(shè)備，對結(jié)構(gòu)的振動進行實時監(jiān)測，可以獲得結(jié)構(gòu)不同階段的振動特性，對結(jié)構(gòu)振動特性的變化進行分析及處理，可獲得結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的變化情況，從而達到損傷檢測的目的[4]。

基于振動的損傷檢測方法，根據(jù)所用模態(tài)信息的不同，可以分為以下幾種常用方法：基于固有頻率的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于振型的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于位移和應(yīng)變類參數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于剛度陣和柔度陣的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于模型修正的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于計算智能的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于信號分析的結(jié)構(gòu)損傷識別方法、基于概率統(tǒng)計信息的結(jié)構(gòu)損傷識別方法等[5]。隨著研究的進展，研究工作者們雖然提出了很多種模態(tài)參數(shù)識別方法，但是對于每一種方法來講都有其優(yōu)缺點和適用范圍。以下將以基于動力測試的結(jié)構(gòu)損傷識別方法和基于信號分析的小波分析方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法為主，對常用的結(jié)構(gòu)損傷識別方法做一綜述。

一、基于固有頻率的損傷識別方法

利用固有頻率進行結(jié)構(gòu)損傷識別的基本原理是，結(jié)構(gòu)的固有頻率可以表達為質(zhì)量和剛度的函數(shù)，當結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，結(jié)構(gòu)的剛度降低，把結(jié)構(gòu)損傷引起的質(zhì)量變化忽略不計，將導致結(jié)構(gòu)的固有頻率降低[6]。固有頻率是結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)中最易獲得的一個參數(shù)，可以準確地判斷損傷是否存在

二、基于模態(tài)振型的損傷識別方法

相對于結(jié)構(gòu)的固有頻率而言，結(jié)構(gòu)的固有振型包含了更多的損傷信息，可以用來進行損傷定位[7]。利用振型來進行損傷識別有兩種方法：一是直接利用結(jié)構(gòu)損傷前后的振型變化，畫出振型變化圖，直接目測來判斷損傷位置，顯然這不適用于大型復雜的結(jié)構(gòu)；二是由振型構(gòu)造出結(jié)構(gòu)損傷標識量，由標識量的取值或變化來識別損傷。

三、基于剛度矩陣、柔度矩陣及柔度曲率的損傷識別方法

基于剛度矩陣的損傷識別方法的基本原理是，結(jié)構(gòu)損傷引起結(jié)構(gòu)剛度下降，因此可以用剛度降低程度系數(shù)，建立起由損傷引起的剛度矩陣變化與系統(tǒng)響應(yīng)間的函數(shù)關(guān)系來進行結(jié)構(gòu)損傷識別。Gysin通過研究指出，用剛度法進行結(jié)構(gòu)損傷識別時，只有包含了對結(jié)構(gòu)剛度矩陣影響較大的多個振型時才能有效識別結(jié)構(gòu)損傷，因此不易實施?；谌岫染仃嚨膿p傷識別方法[8]，一種是通過比較損傷前后結(jié)構(gòu)柔度矩陣的改變來進行結(jié)構(gòu)損傷識別，另一種是通過對分析剛度矩陣和測試柔度矩陣的一致性檢查來識別損傷。柔度矩陣與剛度矩陣互逆，將模態(tài)振型進行質(zhì)量歸一化后，柔度矩陣反比于固有頻率的平方，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)參數(shù)在柔度矩陣中所占比例很大，因此只需要測量幾個低階模態(tài)信息就能用于結(jié)構(gòu)損傷識別，所以非常適合于高階模態(tài)較難獲得的大型復雜結(jié)構(gòu)的損傷識別。

四、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法[9]的主要識別思路是，根據(jù)結(jié)構(gòu)在不同的狀況下,如損傷前損傷后或者不同損傷位置、不同的損傷程度,來提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)特征，進而選擇對結(jié)構(gòu)損傷敏感的損傷指標來作為網(wǎng)絡(luò)的輸入因素，把判斷的結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)作為輸出的因素，以此來進行訓練，訓練完成以后該網(wǎng)絡(luò)就具備了損傷識別的功能，這樣再次輸入時就能夠快速的對損傷進行識別。其識別的邏輯在于選擇一種合適的測試量,滿足系統(tǒng)的輸出與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的差異性對損傷敏感。同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法對非線性系統(tǒng)也具有良好的識別效果，這是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別法優(yōu)于一般的損傷識別法的重要特征。