土木工程结构损伤诊断研究进展

摘 要： 近年来各种诊断方法在土木工程结构损伤诊断领域中应用，本文概述了诊断方法理论和实际应用中常见的问题，通过比较各种诊断方法和研究，探讨土木工程结构损伤诊断未来的发展趋势。

关键词：损伤；诊断；发展趋势

中图分类号：TU317 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）01-

1.前言

伴随着现代社会的飞速发展，一些在役建筑物，随着年代的久远已出现不同程度的损害，始终威胁着人们的生命财产安全，对它们的损伤诊断就显得非常迫切，另一方面各种大型复杂的土木工程结构迅速崛起，由于各种土木结构复杂性和其使用时的重要性，必须对出现损伤进行及时诊断。因此，土木工程结构损伤诊断是当前结构工程学科十分活跃的研究领域，这方面的研究具有着广泛而深远的意义。

2.结构损伤诊断的定义和基本思路

结构损伤的定义：结构原有形态的破坏，结构损伤在物理状态空间表现为刚度降低，柔度增大，在模态状态空间表现为固有频率降低。结构损伤诊断的基本思路：结构损伤的发生必然导致变化的结构参数（刚度、阻尼和内部载荷）的改变，如果正确的估计出这些变化，将对结构损伤状态的评估提供一个量化的测量方法。

3.结构损伤诊断常用方法

3.1基于固有频率变化的损伤诊断方法

固有频率是模态参数中最容易获得的一个参数，而且识别的精度较高，其损伤诊断的原理为。首先，根据理论模型假设结构可能有一组损伤位置的方案，并计算每个理论方案所对应的任意二个频率改变量之比，然后计算实验测量的任意二个频率改变量之比。最后，将上述理论比值与实验比值进行比较，找出与实测最为接近的理论值，则该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤状态，于是获得了结构的损伤位置。值得注意的是，此类方法认为结构发生损伤时，仅结构的刚度降低，而忽略结构质量的变化，并在结构早期损伤之前建立一个修正的理论模型，从理论上讲，发生破损以后的任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数，而与破损大小无关。

3.2基于振型变化的损伤诊断方法

振型包含了结构更多的损伤信息，利用振型变化诊断结构损伤的方法主要有如下两种：

3.2.1振型曲率法

如果结构出现破损，则破损处的刚度会降低，而曲率便会增大，振型曲率的变化随着曲率的增大而增大。因此，可以根据振型曲率的变化确定损伤发生的位置，该方法以振型曲率作为定位参数，需要非常临近的测点，以便利用中心差分法求取曲率模态，这样就要求足够密的测点，或者要求精度非常好的插值扩阶模态，否则将增大曲率模态振型的误差。

3.2.2振型变化图形法

该方法是以振型相对变化量作为定位参数，即损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值，当结构有损伤时，受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会出现比较大的值，所以利用振型相对变化图可以识别损伤的位置。事实上，上述基于振型变化的损伤识别技术当面临测量振型不完整和躁声影响时，将不能识别结构的损伤。

3.3基于柔度变化的损伤诊断方法

许多学者在利用柔度变化进行损伤诊断方面作了有益的研究，主要原理是：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，根据获得损伤前后的二个柔度矩阵的差值矩阵，求出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。

3.4基于刚度变化的损伤诊断方法

当一个结构发生损伤时，刚度矩阵所提供的信息一般比质量矩阵多，当结构发生较大损伤时，其刚度将发生显著的变化；但是，结构发生微小的损伤（譬如小于 5%）时，这类方法将不能进行损伤识别。

3.5基于频响函数（传递函数）变化的损伤诊断方法

由于损伤引起的频响函数的变化唯一地由损伤的类型和位置确定，虽然频响函数的信息量大，但是损伤诊断仅利用频响函数的一列数据。有学者利用频响函数数据和有限元模型，结合最小秩摄动理论，并假设所有产生损伤的方案情况，成功地对一桁架结构进行了损伤识别。也有其他学者提出了一种传递函数识别损伤的方法，即频响函数曲率法。其原理类似于振型曲率法，但不需要测试振型，比振型曲率法识别效果好。频响函数曲率法可以很好地识别梁的损伤，至少能识别杨氏模量降低 25%这样的损伤量，并考虑了 5%的躁声影响。

4.结构损伤诊断方法的研究展望

结构损伤诊断是一门新兴的多学科前沿知识交叉的学科，因此，无论理论还是实践都有待人们深入研究。总的来说，结构损伤诊断的发展趋势有以下几个方面：

4.1结构损伤机理的研究

到目前为止，判断损伤是否存在、如何确定损伤位置和计算损伤量的大小这三个问题仍然是主要问题，而且还无法解决损伤对结构寿命的影响问题。

4.2识别小损伤的研究

对于大型结构，大损伤对系统参数有较大的影响，而小损伤对系统参数影响较小，再加上躁声的影响，上述的许多方法就无法诊断出小损伤。然而，有些大型结构海洋平台、高层建筑、大型桥梁等，小损伤在较短的时间内发展为大损伤。虽然小损伤对系统参数影响较小，但对局部参数影响较大。所以，小损伤的识别是一个很值得研究的方向。

4.3传感器优化布置的研究

结构损伤诊断要求传感器有完整的功能，能测量外部环境状况的变化。具有获得、处理及综合多传感器和多测点信息的信号处理功能。然后，单个传感器和测量传感器系统要能提供这种多元的信息。 参数值的估计涉及到代表真实结构数学模型的局限性引起的不确定性、数据中的测量误差、不足的激励和响应带宽等。特别地，结构中传感器的数量和位置对模型参数估算的质量和偏差有主要的影响。因为获得完整的模态数据对于一个大型结构是不可能的，测量只能得到关于有限元模型所有自由度的一部分模态；在桥梁结构中，这种差异会导致模态扩展或有限元模型自由度的截断。不幸的是，这一过程不可避免会引入误差和导致损伤检测难度加大。一种替代的方法是用测量的不完整的模态来检测损伤，然后收集更多相关的信息，可以方便地用于损伤检测。 静力和动力数据来自各种安装在测量结构中的传感器，因此，传感器的灵敏度、精确度和位置等对于损伤检测是非常重要的。获得越多的信息，损伤识别就越容易，但必须考虑成本代价，这就是为什么要确定传感器最优化或接近最优化的布置。

4.4基于多学科交叉的损伤诊断方法的研究

由于各类大型复杂结构都有自己的特点，包含了机械工程、建筑工程、材料工程和振动理论等多门学科知识，动力学方法不能够完全取代现有的结构评估中的调查及检测程序。因此，研究结构的损伤诊断，把振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料结构等多学科技术结合起来是一个发展趋势。

4.5在线损伤诊断方法的研究

在线损伤诊断方法具有实时性、连续性和预测性，有巨大的实用价值和理论价值且应用前景广阔。目前，对该类方法的研究是一个发展趋势，但需要解决的理论问题很多。

4.6分类法

工程结构力学行为具有随机性、模糊性和典型的个性特征，将结构类型及损伤特征进行分类，再用诊断的手段量化损伤特征，也许可以提高诊断的准确性和效率。此外，诊断方法应与结构可靠度理论相联系，而损伤诊断的最终目的就是评估结构的可靠度。

结语：

5.结语

随着现代科学技术的日益发展和提高，土木工程结构损伤诊断也迅速发展起来，并开始适用于重大土木工程结构中，对可能出现的土木工程结构损伤诊断进行预测，评估其安全性已经成为未来建筑工程发展趋势，关系到建筑的安全与经济效益的协调，并与国家未来的经济发展息息相关，逐步提高我国土木工程结构的实用性以及安全性价值。

参考文献

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