土木工程结构健康监测方法探析

卢成钢　高　萍

【摘要】 介绍了土木工程结构健康监测的重要性及其概念设计,并对各种结构损伤检测方法进行了评述,最后对结构监测的几个重要问题作了展望。

【关键词】 结构健康监测;损伤检测;振动参数;智能传感技术

工程结构自建成后,随着服役时间的增长,不断受环境侵蚀和各种荷载以及自然灾害等的作用,若没有适当的维护,将使十木工程基础设施的状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。检测已有建筑物或桥梁等结构在一些灾害性事件(如地震、台风、爆炸等)后的健康状况,通常是很费时的,因为关键性的结构构件或节点一般都在外覆物或建筑装饰物的下面。

一、土木工程结构长期健康监测系统的概念设计

结健康监测指利用现场的无损传感技术和结构系统的特性分析包括结构的响应,以达到检测结构损伤或退化的一些变化图。土木工程结构的健康监测已经成为土木工程学科研究和发展的一个重要领域。

结构长期健康监测系统应能够对结构从设计施工、竣工投入使用一直到结构的整个服役期的运行状态进行监测和评估。施工阶段是否是严格按照原始的设计来完成的、投人使用后是否是在正常荷载情况下工作的、在一次偶然事件如地震、台风或爆炸等作用后结构是否有损伤、整体的工作状态如何等,这些都是需要回答的问题。

理想的健康监测与损伤识别技术应能在结构损伤出现的较早时期发现损伤,在传感器精度允许的情况下确定损伤的位置,估计损伤的程度,并预测出结构的剩余有效寿命。理想的损伤识别方法应该具备的另一重要性能是,能够区分结构建模误差引起的偏差与结构损伤引起的偏差间的区别。尽管近几年出现了一些运用较为成功的整体监测技术,但对于如何从量测得到的信息来解释结构的安全状态及损伤情况,却远未建立起完善的科学理论。对复杂结构的整体监测仍然是土木工程领域面临的一大挑战。

二、结构损伤检测基本方法

1.基于频率观测的结构损伤识别

结构的固有频率是表示结构固有特性的整体量,当结构的局部出现损伤时,结构的固有频率将发生变化,随着刚度的降低,结构的固有频率将会增大。正是由于这一特性加上结构固有频率易于测量和测量误差小,很多研究者将结构的固有频率作为结构损伤识别的损伤标示量。但是,利用频率作为损伤诊断的标示量也存在一定的局限性:

(1)对损伤位置的不敏感性。不同形式的结构损伤可能引起相同的频率改变,在对称结构中,两个对称位置上结构相同程度的损伤将引起结构固有频率相同的改变。

(2)结构不同位置损伤对结构各阶固有频率的影响不相同。有的位置的损伤对低阶频率影响较敏感,对高阶频率则不敏感;有的位置损伤则对高阶频率影响敏感,对低阶不敏感。在实践中容易测得的结构固有频率是前几阶低阶频率,高阶频率则不易测出。用频率作为结构损伤标示量对结构某些位置的损伤不易探测到。

2.基于结构固有振型变化的损伤识别方法

相对结构固有频率而言,结构的固有振型包含了更多的损伤信息,特别是对结构损伤进行定位,利用结构固有振型要更加准确。国内外众多研究者运用结构固有振型作为损伤标示量对结构的损伤问题进行了研究。大量试验表明,基于结构固有振型变化的损伤识别方法可以得出以下基本结论:结构振型对结构的局部变化较为敏感,可以用来确定结构模型误差和损伤的可能位置。然而其缺点是模态振型的测量由于系统噪声和观测噪声的影响存在较大的测量误差,使得特征振型的变化常常被测量误差所掩盖,给基于振型的结构损伤识别方法在实际应用中造成很大的困难;由于现场条件的限制,实际的观测振型数据是不完整的,而基于自由度不完整振型数据的结构识别方法研究得还很不充分。

3.基于结构柔度变化的结构损伤识别方法

结构一旦发生损伤则意味着结构刚度的降低,即结构的柔度将增大。正是基于柔度的这一特性,中外较多研究者以结构的柔度作为结构的损伤标示量对结构的损伤问题进行了研究。通过对比结构损伤前后柔度阵的变化或对比实测柔度阵与FEM分析柔度阵的差异,可以探测结构的损伤或确定结构模型误差,由于观测柔度阵正比于观测频率的逆矩阵,观测柔度阵对结构低阶模态的变化更加敏感,适用于使用低阶模态数据进行结构识别。基于柔度阵的结构识别研究表明,结构柔度矩阵在低阶模态条件下包含了有关结构特性的丰富信息,为低阶模态条件下的结构识别提供了一种新的有效途径。对数据不完整、不精确条件下结构识别柔度法的研究目前进行得仍然比较少。为了充分利用柔度矩阵的低阶模态敏感特性,仍需进一步深入开展基于柔度矩阵的结构识别研究。

4.基于模态应变能量变化的结构损伤识别方法

该方法首先定义了每个单元的模态应变能及其计算方法,然后利用结构损伤前后每个单元模态应变能的改变来检测结构损伤的位置和大小。利用模态应变能方法进行结构的损伤检测时,主要步骤如下:(1)对未损伤结构进行有限元建模与分析,得到结构的频率、模态振型以及各单元的刚度矩阵;(2)由振动试验和模态分析,获取损伤结构的频率和振型。测量振型不完整时,用振型扩充法扩充;(3)由单元模态应变能变化比方法确定结构可能的损伤单元;(4)求得损伤单元的损伤系数,得到结构损伤的大小。

试验证明模态应变能方法具有以下优缺点: (1)基于单元模态应变能变化的结构损伤检测方法简便有效,便于实际应用; (2)振型的不完整性和测试振型的随即噪声都对结构损伤定位和损伤大小的确定有较大影响,采用多阶模态叠加的方法,能较好地改善结构损伤检测的结果;(3)在实际应用中,结构刚度的破损多种多样,如何模拟刚度的各种破损情况将直接影响损伤大小的确定,有待进一步的研究。

5.神经网络法

神经网络是由大量神经元广泛互连而成的。在神经网络中,信息处理是通过神经元之间的相互作用来实现的,只是信息的存储表现为网络元件互连间分布式的物理联系。学习与识别取决于神经元与连接权系的动态演化过程,神经网络具有较强的容错性,较强的非线性性能,因而在控制、优化、识别等领域被广泛应用。神经网络法不仅适用于线性系统,尤其适用于非线性系统,它比模态修正法及信号处理法的适应性更强,其另一个优点是处理环境振动的能力很强,省略了激振设备,更容易应用于工程实际中。

人工神经网络技术用于结构损伤检测中其检测的准确性,对多位置损伤的同时检测以及神经网络结构的确定等方面的研究还处于初级阶段,这些因素限制了神经网络的实际应用,如何确定一个神经网络使其对结构损伤进行精确的检测是有待研究的课题。

土木工程结构的损伤检测技术是一门新兴的科学技术,目前正处于蓬勃发展之中。虽然这种技术已被广泛应用于航空、航天、精密机械等领域之中,但是在土木工程领域的研究还处于起步阶段,绝大多数研究还仅仅局限于试验阶段。从目前土木工程损伤检测的研究动态来看,以下几个方面问题的研究在该技术的未来发展方向上有比较重要的意义和迫切性:(1)发展更可靠的损伤判别指标,该指标不会误判及漏判;(2)研究试验参数变化、环境参数变化对结构损伤识别的影响;(3)不依赖外部激励源的损伤检测研究。

参考文献

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