大型结构物损伤识别方法研究及展望

李 言

(1重庆交通大学土木工程系 重庆 400041)

大型结构物损伤识别方法研究及展望

李 言

(1重庆交通大学土木工程系 重庆 400041)

随着时代发展，大型结构物如雨后春笋般出现。针对如此多的大型结构，及时准确的发现结构物的损伤，避免结构物因后期的维修和加固带来巨大的经济损失，同时对结构物进行实时的健康监测，避免其突然破坏，无疑具有十分重大的理论意义和经济效益。本文先从概念上指出结构损伤识别可以划分的几个层次，对结构损伤识别的热点问题进行了归纳总结，最后对结构损伤识别的新方法提出了展望。

大型结构物；损伤识别；研究进展

1 引言

21世纪以来，随着全球经济的飞速发展，世界各国特别是像中国这种发展中国家正在大量的进行基础设施建设，其规模也是越来越大。在这种大背景下，工程师们对工程结构安全性的需求也是越来越显著。结构的安全性能得不到满足，对于后期的维修和加固将产生巨额的费用，甚至是发生破坏，所以急需对大型结构物采用有效的健康监测手段来控制结构损伤，对结构的安全状况进行实时掌握。

通过过去几十年的研究，结构损伤识别领域已经发明了大量的方法，但是由于大型结构物的损伤分布和损伤程度具有极大的随机性和不确定性，许多损伤识别方法还无法较好地应用于实际工程中。本文先从概念上指出结构损伤识别可以划分的几个层次，对结构损伤识别的热点问题进行了归纳总结，最后对结构损伤识别的新方法提出了展望。

2 正文

2.1结构损伤识别问题的主要层次

第一层次：判断结构是否真的已经发生损伤。研究内容主要有：结构的损伤类型，损伤的成因，损伤的可修复程度等。结构物由于设计、施工的不足或者材料的使用不当，又或是结构的需求大于了其能力值，结构物遭遇了偶然因素的作用（如地震、台风），还有就是环境腐蚀和长期荷载引起的结构疲劳等，都将对结构引起不同程度的损伤。主要难点在于结构的很多物理量的测试受环境条件、仪器的使用精度、测量水平等因素的影响较大，这将导致对于结构损伤的判别不精确。

第二层次：确定损伤的几何位置。每种结构都可能出现不同程度的损伤，但是受力构件损伤和非受力构件的损伤对整体结构安全性、耐久性的影响是不一样的。为了准确评估损伤情况，特别是关键部位的损伤状态，需做好损伤位置的识别。主要的研究内容是利用静力或动力的作用引起结构的响应，通过观察最大响应部位来判断结构损伤具体发生在哪一部位。如何准确识别损伤的几何位置，是该层研究的重点。

第三层次：对损伤的严重程度进行量化。主要内容是通过检测数据得到的结构物的变形、挠度、应变、裂纹宽度等数据来全面评估结构的损伤程度。需要建立损伤的量化标准，即需要对损伤的严重程度进行量化再来评定损伤程度。研究难点在于如何量化这个尺度。

第四层次：预测结构的剩余使用寿命。对于已经量化的损伤构件，可以采用一系列较为准确的评估标准来预测其剩余使用寿命。剩余使用寿命可以为之后的维修策略、检查频率、养护措施提供有利依据。如何通过构件损伤程度及部位预测构件剩余使用寿命是该层次研究的重点。其难点在于，一般通过建立损伤模型来预测结构的使用寿命，但该方法一般与实际结构有一定的偏差，预测的精确度不高。

第五层次：对结构的完整性进行评价。构件的损伤不仅影响构件自身的安全性和耐久性，也将影响结构整体的安全性和耐久性。在对局部的损伤进行评估之后，还需将其放入整体中进行全面评估，对结构完整性做出评价。该层的重难点在于如何考虑局部构件对整体的影响，以及这一影响的强弱，是否是关键截面或者构件，对不同重要性的构件需要按重要性系数进行一定的折减。

2.2基于结构动力学方法的结构损伤识别

常用的动力学损伤识别方法包括频率基损伤识别方法、模态基损伤识别方法等，这是当前结构损伤识别研究的热点问题。

（1）频率基损伤识别：该方法主要是利用结构的固有频率变化来进行损伤识别，具有方法简单，测试精度较高的特点。但固有频率对结构局部的损伤反映不是很合适，且无法准确反映结构的损伤部位。

（2）模态基损伤识别：该方法又称为振型基损伤识别，利用模态变化来识别结构的损伤。常用的方法有模态置信度判据法、位移模态法、模态曲率法和应变模态法等。模态对局部刚度变化较为敏感。在实际测试中，实际模态往往不完整，且模态个数少于分析模型的个数，而且测量的自由度也少于分析模型的自由度，高阶模态很难测得，这使得模态基损伤识别方法在实际使用时容易受到模态不完整和噪声影响的问题。

2.3结构损伤识别的新方法

基于时频域数据的方法即基于小波分析的识别方法是近10几年来的兴起的损伤识别新方法。该方法是数学理论中调和分析技术发展的最新成果，它可以看作是传统傅里叶变换的一个拓展，有着其独特的优势：（1）该法对于非平稳信号的分析较为准确。（2）该法不需要结构伤前的基准数据。（3）该法不但可以对损伤进行定位，还能突出损伤信息。

压电阻抗法也是一种新兴的结构损伤识别方法。它利用的是机械变形和电荷变化之间的关系，以此制成压电传感器。在收到外部压力的作用下，材料内部会出现极化作用，材料的正负电荷会集中于材料的两极，产生电动势。在结构的损伤检测过程中，将这种传感器埋入结构之中，由于结构受力会产生电荷变化，这样通过输出的电能就可以探知结构受力，进而转化为位移的变化。该方法信号便于采集且稳定性高，材料成本较便宜，值得进一步研究和推广。

3 结语

结构损伤识别方法众多，但是大多数局限于计算机数值模拟和实验室模型，对于实际工程的应用还十分欠缺。总体来看，未来的研究将考虑如何在监测过程中采集到更为稳定的信号，如何对损伤位置进行更加准确的定位，突出其损伤信息。还有就是要考虑损伤识别方法的可操作性和易推广性，针对大型结构物进一步研究一整套的材料价格便宜、操作简单、可商品化的结构损伤识别系统将是今后研究的主要方向。相信今后随着人工智能系统的发展，结构损伤识别技术将迎来新的突破。

[1]吴向男.桥梁结构损伤识别研究现状与展望[J].长安大学学报自然科学版,2013,33(6)：49-58.

[2]宗周红.基于模型确认的结构概率损伤识别方法研究进展[J].土木工程学报，2012（8）：121-130.

[3]黄天立.结构系统和损伤识别的若干方法研究[D].同济大学,2007：1-187.

[4]安永辉.基于振动信息的结构损伤识别的几种新方法[D].大连理工大学,2013.

[5]宗周红.基于响应面模型修正的桥梁结构损伤识别方法[J].土木工程学报,2012：115-122.

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1007-6344（2017）05-0321-01