基于结构动力特性的损伤识别方法综述

孙胜杰

（聊城大学，山东 聊城 252000）

土木建筑结构在使用过程中会受到各种自然和人为的影响，包括地震，台风，火灾和环境腐蚀，这些都会损坏结构组件。某些损伤的累积会降低零件的可靠性并破坏整个结构。因此，如何对结构进行损伤识别是重中之重。

1 概述

损坏识别是与损坏相关的信息的过程，例如结构是否损坏，其位置以及损坏程度。任何结构都可以认为是由阻尼、刚度和质量组成的机械系统。如果结构损坏，结构参数将相应更改。损伤诊断问题一般可分为三个子问题：1）损伤识别：确定是否存在结构损坏，是结构损坏诊断的基础；2）损伤定位：当结构损坏时，找到损坏的确切位置是结构损坏诊断中的核心问题，也是难题；3）损伤程度判定：可以判断结构损坏的程度，这是评估结构完整性，维护或加固维修的基础。

用于识别损坏的物理量可以是整体量，例如结构的自然频率，但是在直接损坏的位置使用的物理量最好是局部量。当前必须满足四个基本条件：1）敏感于局部破坏和结构破坏的单调作用；2）位置坐标清晰；3）在损伤部位，损伤识别量应有较大的峰值变化。在非损坏位置，损坏标识必须在预设阈值以下变化（损坏标识可以是结构的物理参数或模态函数，例如刚度矩阵，质量矩阵，阻尼矩阵等，也可以是模式形状，频率等）[1]。

2 基于结构动力特性的损伤识别法

1）基于频率变化的结构损伤识别法。结构的固有频率与结构的整体质量和整体刚度具有特定的功能关系。当结构的一部分损坏时，其刚度会降低，而当结构的刚性降低时，频率也会发生变化。 另外，由于结构的频率在实际工程中易于测量，因此许多学者认为固有频率是识别结构损坏的重要指标。Cawley和Adams已经提出了利用结构损坏前后的频率来识别损坏的方法[2]，研究表明，如果结构损坏是单个损坏，则损坏前后变化的次级频率的比率仅与位置有关。使用固有频率的变化来识别损伤的优势在于，固有频率易于获得且测试相对准确。但是，实践表明该类技术在应用上还有一些不足：（1）固有频率可能对结构的初始损伤不是很敏感，也无法通过固有频率的变化来识别。（2）如果损坏部位在结构的高应力区域中，则通过使用固有频率的变化来识别损坏会更可靠，而在结构的低应力区域中，使用固有频率进行识别是不可靠的。

2）基于刚度变化得结构损伤识别法。当结构损坏时，刚度矩阵通常比质量矩阵提供更多的信息。大量学者正在研究使用刚度矩阵的变化来识别损坏，因为当结构损坏时刚度会发生显着变化。但是，如果结构受到轻微损坏，则这种方法无法识别损坏。诊断结构损伤时，也会考虑使用刚度矩阵来确定结构损伤，因为损伤主要表现为刚度的降低。

3）基于柔度曲率的结构损伤识别法。在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数。随着频率的增大，柔度矩阵中高阶频率的倒数影响可以忽略不计。这样只要测量前几个低阶模态参数和频率就可获得精度较好的矩阵。当结构发生损伤后，因其刚度下降，其损伤前后的柔度矩阵也会发生改变，且损伤程度越大，柔度矩阵的改变量也越大。根据损伤前后的两个柔度矩阵获得其差值矩阵，可求差值矩阵中各列中的最大元素，通过检查每列中的最大元素就可找出损伤的位置。

4）基于模态曲率的结构损伤识别法。对结构的局部损坏导致结构的局部刚度减小，而梁结构的刚度减小导致梁的曲率增大。参考文献[3]指出，模态形状比其他动态参数对局部损伤更敏感。对应于相关的位移模态，模态曲率是弯曲结构动力学特性的另一个标志，但模态曲率对结构局部几何尺寸的变化和内部损伤更敏感。

5）基于模态振型变化的结构损伤识别法。损伤的方法有两种：一种是直接使用损伤之前和之后的模态形状来区分对结构的损伤，但是这种方法使得难以实现大型复杂结构的精确定位。另一种是根据模式形状（MAC，COMACD等）创建损伤识别量，并使用该识别量识别结构的损伤，但是在实际测试中无法测量结构的旋转自由度。

6）基于损伤因子的结构损伤识别法。当结构发生损伤后，结构损伤单元的刚度矩阵会降低。因此，可用公式kde=kue(1-Δae)来表示结构损伤单元的刚度，Δae为损伤因子，其取值范围为0～1，当Δae=1时，即结构完全损伤，当Δae=0，即结构未发生损伤。

7）基于残余力向量的结构损伤识别法。基于残余力向量结构损伤识别法的本质是利用结构损伤前后模态参数变化的特性进行损伤识别。史治宇[4]等人提出了一种利用模态应变能变化率的基本理论识别结构破坏要素的方法。此方法仅需要损坏前后的结构中每个单元的模态形状以及未损坏结构（未损坏结构）的元素刚度矩阵，从而可以定位损坏结构的位置。通过数值算例的研究，证明了该方法可以有效地确定受损单元的位置。另外，该方法仅需要一些低阶模式，不需要完整的损坏信息即可准确定位。在实际工程中，低阶模式易于测量且准确。因此，该方法具有较高的实用价值。但是，该方法对于多损伤定位以及小损伤定位存在一定的误差。

3 目前存在的问题与建议

1）基于动力特性的损伤识别方法都有各自的局限性，受诸多条件限制。

2）现今阶段对于桥梁、框架结构和钢结构的损伤识别方法日趋成熟，但是对于木结构古建筑的识别相对较少，由于木材的特殊性，加上其榫卯节点和斗拱层的柔性作用，现今阶段的损伤识别大都是对于单个梁或者柱构件进行损伤识别，对于整体结构的损伤识别方法还不完善。

3）现有的振动测试方法主要是基于理论分析和数值模拟，而很少有通过模型测试和实际工程应用得到验证的方法。 基于振动测试的状态评估研究相对较少，在理论和工程应用中还没有统一的方法或评估标准。

基于目前研究现状，对于木结构的损伤识别还处于初级阶段，可利用有限元模拟与振动台实验双向探索，寻找适合木结构的损伤识别方法；国内应开设大型结构的试验对损伤识别的探索给予支持为探索新的研究方法做基础；且应整合出台不同结构损伤识别标准的规范和评定标准。

4 结语

国内外对损坏的识别的结构性损坏的发现已经相对成熟，目前关于识别损伤的研究集中于识别结构损伤识别的第二阶段，即结构损伤的位置。由于各种不确定因素的影响对结构造成的破坏程度的第三阶段，即定级研究仍处于起步阶段。损伤识别一直作为建筑结构亟待解决的问题之一，对结构稳定与否起着举足轻重的作用。如何合理有效的进行损伤识别，还有待深入研究。