摘要: 近年来,随着传感技术、信号采集与处理等技术的发展, 土木结构的损伤识别研究已经提出了很多方法。然而,将这些方法应用于实际工程中遇到了很多困难。基于近20年来国内外基于振动信息损伤识别的研究和应用现状; 重点讨论结构损伤识别方法在土木工程应用中面临的挑战, 并系统地综述了为解决这些问题而提出的一些方法;对有待于进一步研究的问题进行了展望。
关键词: 土木工程结构;振动;损伤识别
中图分类号： O32 文献标识码： A 文章编号：
随着人类对结构安全需求的提高、重大工程结构(如大跨度桥梁、高层建筑结构和大型海洋平台)的兴建, 以及大批基础设施进入服役的中晚期, 基于结构振动信息的健康监测与损伤检测已经成为国内外学术界和工程界关注的热点。 虽然早在20世纪70年代人们就尝试采用振动信息进行海洋平台结构的损伤探测，但是大规模地研究基于振动信息的损伤识别技术在土木工程结构上的应用还是近20年的事。随着传感技术、无线通讯技术、微处理技术、信号采集与处理、信息融合以及系统建模等技术的发展,人们在利用采集的振动信息对发生在结构上的损伤进行识别、定位和定量方面已经做了大量的研究工作,发展了大量的方法。但是由于土木工程结构损伤分布和损伤程度有很大的随机性、振动源不明确和振动测试环境不可控、具有独特的个性和相对复杂等特点, 目前的研究离实际工程应用还有一段距离,大多数方法基本上仍处于理论或实验室模型试验研究阶段.如何使现有的损伤识别方法在实际工程中仍能得到较理想的识别结果是一项既具有挑战性又具有实际意义的工作。
1损伤识别方法概述
1.1 基于模态域数据方法
文献[ 1]对1996年以前发展的基于模态域数据的损伤识别方法及其应用情况进行了详细的总结和评述。根据所采用的模态信息不同,这类方法又可进一步分为：基于固有频率、振型、应变模态、模态应变能、柔度、频响函数和动态残余向量的方法等。在基于模态域数据的方法中,采用灵敏度分析或模型修正的方法通常都能定位和定量损伤,但是需要完好结构的基准有限元模型,因而所得的损伤识别结果的精度取决于建立的有限元模型的精度；通过直接或间接比较损伤前后的模态参数的方法通常只能识别和定位损伤,不需要结构的有限元模型；而基于模式识别和神经网络的方法的损伤识别能力则与所能获得的训练样本的类型和数量有关。
1.2 基于时间域数据方法
这类方法通常是利用结构振动响应在局部时间域上的特性或在一段时间域上的统计特性来识别结构的损伤。其中大多数方法都是基于时间序列分析模型提出的[ 2~ 4]。此外, 也有一些方法是利用扩展的卡尔曼滤波方法来识别结构的物理参数,通过对结构当前状态下的物理参数与完好状态进行比较来识别损伤。这些方法直接使用测试的时域数据,不需要进行各种转换,响应信号中与损伤有关的特征不会由于数据转换而被扭曲或滤掉。其缺点是：一些与损伤有关的信号特征可能被幅值较大而与损伤无关的特征所掩盖或淹没；而且如果激励源发生变化或者环境状态发生变化,利用这种方法识别损伤有一定困难。
1.3 基于时频域数据(小波分析)方法
文献 [ 2]系统地综述了近10年来国内外利用小波变换和小波包变换对结构进行健康监测和损伤检测的概况,对目前发展起来的基于小波分析的损伤识别方法进行了归类总结和评述。根据是否需要分析结构响应的高频信息,基于小波分析的方法可分为基于小波变换的方法和基于小波包变换的方法。其中, 基于小波变换的方法, 根据小波变换所起的作用不同, 又可进一步分为基于小波奇异性检测的方法、基于损伤前后小波变换系数变化的方法以及基于小波变换和弹性波传播理论的方法等。如果将从结构一点上实测的动态响应中获取的信息分为三类:即时间域信息频率域信息和空间域信息, 那么, 基于时间域数据的方法利用的仅是时间轴上的信息；基于模态域数据的方法利用的仅是频率轴上的信息。而基于小波分析的方法则可以充分利用响应的时间-频率平面上的信息, 因此这类方法不但可以定位(和定量)损伤, 而且可能提供损伤发生的时间信息。
2 结构损伤识别方法的展望
1)精确地测量结构的响应信息是使损伤识别方法有效的前提。比如,应用先进的测试手段、采用精度高、灵敏度高、耐久性和稳定性好的传感器。此外,新型自感知智能材料的应用也可能极大地推动结构损伤识别技术的发展。
2)目前许多进入服役中晚期和新建的重大工程结构中已经安装了实时健康监测系统, 根据待检测结构的特点和检测目标, 选择几种有效的、可实施的损伤识别方法,建立能将各种方法的损伤识别结果融合起来的损伤识别模块并集成到健康监测系统中是使结构损伤识别方法在实际工程中发挥作为的重要途径。这样可以集各种方法的优点于一身, 得出更加可靠的损伤识别结果。比如, 发展融合结构局部响应和整体响应的损伤识别算法；或将基于模态域数据的方法和基于小波分析的方法相结合, 先由基于模态域数据的方法将损伤定位到一个范围内, 再由基于小波空间域响应奇异性检测的方法将损伤定位等。
3)对于需要结构完好状态的有限元模型的损伤识别方法, 比如, 基于动态残余向量、模型修正、灵敏度分析、模式匹配的方法等, 建立具有一定精度的有限元模型是使这类方法有效的关键。因此, 对刚刚建成的结构进行动态试验, 保存完好状态的实测响应数据是非常重要的；而且也有必要发展更有效、实用的模型修正技术以得到更能反映真实结构动力特性的有限元模型。
4)目前的研究和应用大都是针对梁式或板式者等简单构件,对于复杂结构,子结构振动分析方法的应用对于推进结构损伤识别的实际应用具有重要意义。比如, 对于极其复杂的结构, 损伤识别时, 可将结构划分为多个子结构, 分别识别各个子结构上的损伤, 既提高了识别效率又降低了传感器的使用数量；对于基于灵敏度分析的方法, 通过有限元分析计算灵敏度矩阵时, 计算量非常巨大,也可以先建立子结构的有限元模型,分别计算各个子结构的灵敏度矩阵,这样缓解计算压力、大大提高计算效率；对于有些方法,实验中所需要的试验荷载非常高, 只有将结构划分为多个子结构分别试验。
5)上面回顾的方法中, 都假设振动的幅值很小,结构处于线性范围内, 并且损伤也是线性建模；而实际结构本身通常是非线性的,比如土壤和混凝土材料都是非线性的, 而且有研究表明：土壤的刚度是激励频率的函数[ 3 ], 另外, 大多数损伤都是非线性的,比如循环荷载作用下,疲劳裂纹的张开和闭合就是一种非线性行为, 因此, 非线性结构的损伤识别问题的研究是为将结构损伤识别方法应用于实际工程中而努力的方向。
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