土木工程結構健康監(jiān)測方法探析

盧成鋼　高　萍

【摘要】 介紹了土木工程結構健康監(jiān)測的重要性及其概念設計,并對各種結構損傷檢測方法進行了評述,最后對結構監(jiān)測的幾個重要問題作了展望。

【關鍵詞】 結構健康監(jiān)測;損傷檢測;振動參數(shù);智能傳感技術

工程結構自建成后,隨著服役時間的增長,不斷受環(huán)境侵蝕和各種荷載以及自然災害等的作用,若沒有適當?shù)木S護,將使十木工程基礎設施的狀態(tài)逐漸趨于劣化而變得不可靠。檢測已有建筑物或橋梁等結構在一些災害性事件(如地震、臺風、爆炸等)后的健康狀況,通常是很費時的,因為關鍵性的結構構件或節(jié)點一般都在外覆物或建筑裝飾物的下面。

一、土木工程結構長期健康監(jiān)測系統(tǒng)的概念設計

結健康監(jiān)測指利用現(xiàn)場的無損傳感技術和結構系統(tǒng)的特性分析包括結構的響應,以達到檢測結構損傷或退化的一些變化圖。土木工程結構的健康監(jiān)測已經(jīng)成為土木工程學科研究和發(fā)展的一個重要領域。

結構長期健康監(jiān)測系統(tǒng)應能夠對結構從設計施工、竣工投入使用一直到結構的整個服役期的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和評估。施工階段是否是嚴格按照原始的設計來完成的、投人使用后是否是在正常荷載情況下工作的、在一次偶然事件如地震、臺風或爆炸等作用后結構是否有損傷、整體的工作狀態(tài)如何等,這些都是需要回答的問題。

理想的健康監(jiān)測與損傷識別技術應能在結構損傷出現(xiàn)的較早時期發(fā)現(xiàn)損傷,在傳感器精度允許的情況下確定損傷的位置,估計損傷的程度,并預測出結構的剩余有效壽命。理想的損傷識別方法應該具備的另一重要性能是,能夠區(qū)分結構建模誤差引起的偏差與結構損傷引起的偏差間的區(qū)別。盡管近幾年出現(xiàn)了一些運用較為成功的整體監(jiān)測技術,但對于如何從量測得到的信息來解釋結構的安全狀態(tài)及損傷情況,卻遠未建立起完善的科學理論。對復雜結構的整體監(jiān)測仍然是土木工程領域面臨的一大挑戰(zhàn)。

二、結構損傷檢測基本方法

1.基于頻率觀測的結構損傷識別

結構的固有頻率是表示結構固有特性的整體量,當結構的局部出現(xiàn)損傷時,結構的固有頻率將發(fā)生變化,隨著剛度的降低,結構的固有頻率將會增大。正是由于這一特性加上結構固有頻率易于測量和測量誤差小,很多研究者將結構的固有頻率作為結構損傷識別的損傷標示量。但是,利用頻率作為損傷診斷的標示量也存在一定的局限性:

(1)對損傷位置的不敏感性。不同形式的結構損傷可能引起相同的頻率改變,在對稱結構中,兩個對稱位置上結構相同程度的損傷將引起結構固有頻率相同的改變。

(2)結構不同位置損傷對結構各階固有頻率的影響不相同。有的位置的損傷對低階頻率影響較敏感,對高階頻率則不敏感;有的位置損傷則對高階頻率影響敏感,對低階不敏感。在實踐中容易測得的結構固有頻率是前幾階低階頻率,高階頻率則不易測出。用頻率作為結構損傷標示量對結構某些位置的損傷不易探測到。

2.基于結構固有振型變化的損傷識別方法

相對結構固有頻率而言,結構的固有振型包含了更多的損傷信息,特別是對結構損傷進行定位,利用結構固有振型要更加準確。國內(nèi)外眾多研究者運用結構固有振型作為損傷標示量對結構的損傷問題進行了研究。大量試驗表明,基于結構固有振型變化的損傷識別方法可以得出以下基本結論:結構振型對結構的局部變化較為敏感,可以用來確定結構模型誤差和損傷的可能位置。然而其缺點是模態(tài)振型的測量由于系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的影響存在較大的測量誤差,使得特征振型的變化常常被測量誤差所掩蓋,給基于振型的結構損傷識別方法在實際應用中造成很大的困難;由于現(xiàn)場條件的限制,實際的觀測振型數(shù)據(jù)是不完整的,而基于自由度不完整振型數(shù)據(jù)的結構識別方法研究得還很不充分。

3.基于結構柔度變化的結構損傷識別方法

結構一旦發(fā)生損傷則意味著結構剛度的降低,即結構的柔度將增大。正是基于柔度的這一特性,中外較多研究者以結構的柔度作為結構的損傷標示量對結構的損傷問題進行了研究。通過對比結構損傷前后柔度陣的變化或對比實測柔度陣與FEM分析柔度陣的差異,可以探測結構的損傷或確定結構模型誤差,由于觀測柔度陣正比于觀測頻率的逆矩陣,觀測柔度陣對結構低階模態(tài)的變化更加敏感,適用于使用低階模態(tài)數(shù)據(jù)進行結構識別?；谌岫汝嚨慕Y構識別研究表明,結構柔度矩陣在低階模態(tài)條件下包含了有關結構特性的豐富信息,為低階模態(tài)條件下的結構識別提供了一種新的有效途徑。對數(shù)據(jù)不完整、不精確條件下結構識別柔度法的研究目前進行得仍然比較少。為了充分利用柔度矩陣的低階模態(tài)敏感特性,仍需進一步深入開展基于柔度矩陣的結構識別研究。

4.基于模態(tài)應變能量變化的結構損傷識別方法

該方法首先定義了每個單元的模態(tài)應變能及其計算方法,然后利用結構損傷前后每個單元模態(tài)應變能的改變來檢測結構損傷的位置和大小。利用模態(tài)應變能方法進行結構的損傷檢測時,主要步驟如下:(1)對未損傷結構進行有限元建模與分析,得到結構的頻率、模態(tài)振型以及各單元的剛度矩陣;(2)由振動試驗和模態(tài)分析,獲取損傷結構的頻率和振型。測量振型不完整時,用振型擴充法擴充;(3)由單元模態(tài)應變能變化比方法確定結構可能的損傷單元;(4)求得損傷單元的損傷系數(shù),得到結構損傷的大小。

試驗證明模態(tài)應變能方法具有以下優(yōu)缺點: (1)基于單元模態(tài)應變能變化的結構損傷檢測方法簡便有效,便于實際應用; (2)振型的不完整性和測試振型的隨即噪聲都對結構損傷定位和損傷大小的確定有較大影響,采用多階模態(tài)疊加的方法,能較好地改善結構損傷檢測的結果;(3)在實際應用中,結構剛度的破損多種多樣,如何模擬剛度的各種破損情況將直接影響損傷大小的確定,有待進一步的研究。

5.神經(jīng)網(wǎng)絡法

神經(jīng)網(wǎng)絡是由大量神經(jīng)元廣泛互連而成的。在神經(jīng)網(wǎng)絡中,信息處理是通過神經(jīng)元之間的相互作用來實現(xiàn)的,只是信息的存儲表現(xiàn)為網(wǎng)絡元件互連間分布式的物理聯(lián)系。學習與識別取決于神經(jīng)元與連接權系的動態(tài)演化過程,神經(jīng)網(wǎng)絡具有較強的容錯性,較強的非線性性能,因而在控制、優(yōu)化、識別等領域被廣泛應用。神經(jīng)網(wǎng)絡法不僅適用于線性系統(tǒng),尤其適用于非線性系統(tǒng),它比模態(tài)修正法及信號處理法的適應性更強,其另一個優(yōu)點是處理環(huán)境振動的能力很強,省略了激振設備,更容易應用于工程實際中。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術用于結構損傷檢測中其檢測的準確性,對多位置損傷的同時檢測以及神經(jīng)網(wǎng)絡結構的確定等方面的研究還處于初級階段,這些因素限制了神經(jīng)網(wǎng)絡的實際應用,如何確定一個神經(jīng)網(wǎng)絡使其對結構損傷進行精確的檢測是有待研究的課題。

土木工程結構的損傷檢測技術是一門新興的科學技術,目前正處于蓬勃發(fā)展之中。雖然這種技術已被廣泛應用于航空、航天、精密機械等領域之中,但是在土木工程領域的研究還處于起步階段,絕大多數(shù)研究還僅僅局限于試驗階段。從目前土木工程損傷檢測的研究動態(tài)來看,以下幾個方面問題的研究在該技術的未來發(fā)展方向上有比較重要的意義和迫切性:(1)發(fā)展更可靠的損傷判別指標,該指標不會誤判及漏判;(2)研究試驗參數(shù)變化、環(huán)境參數(shù)變化對結構損傷識別的影響;(3)不依賴外部激勵源的損傷檢測研究。

參考文獻

[1]曹暉.Michael,Friswell.基于模態(tài)曲率的損傷檢測方法[J].工程力學.2006(4):56～57

[2]師本強.基于動柔度變化的結構損傷檢測[J].工程力學.2001(S3):21～23

[3]李健康,張春利,解辛辛.板類結構動力檢測與控制中的一種新方法[J].動力學與控制學報.2005(9):6～7

[4]禹丹江,陳淮.橋梁損傷檢測的曲率模態(tài)方法探討[J].鄭州大學學報.2002(9):30～31