大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景

李兆霞

(东南大学土木工程学院，南京 210096)

(东南大学江苏省工程力学分析重点实验室，南京 210096)

大型土木结构包括特大跨桥梁、超高层建筑、大型场馆等重要的土木基础设施，其结构共性特征是超大、超高或者超长、构形复杂、体量巨大、服役环境恶劣，每个结构都是独一无二且不可复制的.近年来，我国基本建设投资以占国民生产总值约15% ～20%的比例稳步上升，大批工程结构已完成或正在建设中［1］.这些结构建成后不可避免地存在着先天细观缺陷，在结构服役期内环境侵蚀、材料老化和荷载的长期疲劳效应、突发事变过载效应等因素的综合作用都会导致损伤积累和抗力衰减［2］.在结构安全服役中，损伤是一种跨越微/细、宏观尺度的非线性演化过程，同时损伤演化又是从材料层次开始发展到构件层次再到千米级结构层次导致其失效的过程，因此结构损伤演化是一个多尺度、跨层次非线性演化致结构失效的过程.大型土木结构通常都是当地的地标性建筑，一旦发生破坏，不仅会造成重大人员伤亡和巨大经济损失，还会产生极坏的社会影响.因此，解决大型土木结构安全服役中的共性科学问题，改变长期以来重大土木基础设施在服役期内结构损伤状况、潜在危险性和安全可靠性无法预知的现状，在灾害越来越常态化的今天已成为一个刻不容缓的重大任务［1］.

应对大型土木结构安全的工程需求，近10多年来结构健康监测(structural health monitoring，SHM)系统得到了迅速发展［3］，学者们在桥梁结构健康监测方面开展了较多的研究工作和工程实践［4-5］.基于健康监测系统的损伤检测与状态评估也成为该领域中热门和前沿的研究方向［6］.然而，结构安全与损伤检测实际上涉及到结构模拟、损伤跨尺度演化过程分析、结构强度的尺寸效应、不确定性等诸多未解决的力学基础科学问题，多年来这些基础性理论研究仍缺乏突破.受此限制，花费大量财力和人力建立的健康监测系统作用十分有限，在结构安全评估、管理和维护方面的作用与优势无法体现.

为寻求突破，近年来在结构安全方面的研究思路已经从结构当前损伤状态评估和失效后分析拓展到结构全寿命安全，从着眼于结构损伤的结果拓展到着眼于结构损伤演化的过程及其预后评估.本文对结构多尺度损伤预后方面的研究进行了综述，为后续工作提供方向.针对大型土木结构的共性特征和结构安全服役的新形势和新需求，采取结构多尺度损伤预后，以达到“治结构之未病”的目标.从发展多尺度损伤预后方法的驱动力、与大型土木结构多尺度损伤预后相关的基础理论与技术的发展现状、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题、解决思路、发展趋势与应用前景这几个方面，综述了大型土木结构多尺度损伤预后研究的现状、研究思路与应用前景.指出了大型土木结构多尺度损伤预后所面临的关键科学问题，并展望了结构多尺度损伤预后理论与分析方法的广阔前景.

1 结构多尺度损伤预后的动力——“治结构之未病”

1.1 学术理念

目前，关于结构状态识别和损伤检测(damage detection，DD)方面的研究［7-8］大多集中于如何基于结构整体动态特性来改变识别结构中发生的损伤，其核心思想是认为损伤将显著改变结构的刚度、质量或耗能能力，进而引起所测结构动力特征或响应的改变.SHM系统的监测仅限于结构层次，相关的结构损伤检测研究的学术理念是被动的，即只有当损伤演化到结构层次造成结构整体动力特性的显著变化才可能被发现［9-10］.基于SHM 输出信息进行的结构损伤识别与反演过程，难以鉴别输出信息异常到底是由于结构中发生了真正的“物理损伤(病害)”还是数据或环境造成的损伤“假象”［11-13］.这样被动的、只关注结构层次损伤的“结果”而非损伤演化“过程”的研究理念无法确保结构安全服役.大型工程结构中，损伤演化是一种漫长持久累积与突发过载造成的突变交互耦合作用的过程，结构设计的设防级别高，一般地震或其他形式的突发过载不至于使结构马上破坏，但可能诱发结构内部的损伤演化进程“提速”，造成损伤从小尺度向大尺度、低层次向高层次的“跃进”，损伤演化过程随时可能由于外在的微小诱发而产生崩溃性灾变，进而导致结构失效.如果无法把握这一过程中的结构劣化特征，就只能任由结构损伤发生、演化，直至产生可被监测系统发现的严重损伤结果.具有前瞻性的学术理念应该是:主动地把握结构中损伤演化的过程，以便可以在损伤演化从局部的材料或构件层次发展到可能导致结构性病害乃至灾变发生以前就能及时预见到危险，这种理念相当于“治结构之未病”.

“不治已病治未病”是中医的防病养生谋略，包括未病先防、已病防变和已变防渐.结构中的损伤演化和累积过程如同人体的老化病变过程一样.如果损伤演化蔓延至结构层次直至被SHM系统监测到时，仍然还无法准确识别其具体位置和程度，事实上就是结构的“已病而不治”，是结构的“医家之怯”.对待大型工程结构只有“思患而预防之”，才有可能确保“何患之有”.而要能够“思患而预防之”，其前提是必须认识到“患”从何而来、如何演变.由此可见，结构“治结构之未病”的关键在于，通过结构损伤预后来主动地把握结构中损伤演化的过程.损伤预后(damage prognosis，DP)是指对尚未或可能发生的损伤过程及其将产生后果的预测，它与结构损伤检测是不同的理念.损伤检测是基于监测到的响应信息，通过指纹信息抽取、状态反演来识别结构中已发生的损伤;而损伤预后是在认识损伤演化机理的前提下，结合结构服役历史、当前状态和通过模型预测的将来行为，综合结构监测检测与维护信息，一起发展成为结构中可能发生的损伤演化过程及其后果的预测系统.由此可见，DD与DP的区别在于，前者是发现损伤的既成事实，而后者是预测可能发生的损伤过程及其后果.DP是对结构损伤演化过程中的物理机制和监测检测信息同时进行综合分析的过程，因此，与DD相比，可靠的DP方法将更优越地鉴别输出信号异常到底是结构发生了“物理损伤(病害)”还是数据或环境造成损伤“假象”.此外，DP更具有工程应用的前景，其成功实施将允许结构管理方在构件和结构层次上病害发生前就采取措施，以减轻将要发生的损伤或者维修结构，制止灾难性结构失效的发生.

1.2 结构损伤演化的跨尺度特征

对于超大、超高或者超长的大型土木工程结构而言，要通过结构损伤预后来主动把握结构中损伤演化的过程显然是相当困难的.除了由结构服役特点引起的环境恶劣、作用载荷复杂且部分不确定等因素外，更为关键的因素是，在结构漫长服役期间结构劣化与材料损伤共生共存，损伤演化的过程从材料中微/细观缺陷和构件连接部位在建造中留下的细观缺陷开始，在服役环境与极端灾害环境的共同作用下，逐步发展到宏观，造成结构劣化乃至发生灾变.也就是说，损伤演化造成结构劣化的因与果分别属于不同尺度、不同层次，跨越了微、细、宏观量级的空间尺度.由于大型土木工程结构从结构形式到服役环境都是独一无二且不可复制的，其构形复杂、体量巨大，无法进行足尺结构损伤试验，给损伤分析研究带来困难.由此可见，虽然预测和防止结构失效的任务是在结构这一最顶层，但损伤却起源于最底层，即材料的微损伤［14］.材料在微观或者细观尺度上的损伤经过多个不同尺度物质、构件和结构层次上的损伤演化，最终导致整体结构(对于大型土木工程结构而言，其结构尺度大至千米级)破坏.认识这种结构跨尺度、多层次损伤演化机理，进而进行结构损伤演化过程预后，是解决结构安全服役的核心科学问题.

结构安全问题维系着人类建设与经济发展中的工程安全，但受限于材料与结构强度研究领域中基础理论发展的困难，因而在长久关注下仍难以取得突破.从忽略材料中的缺陷与非均匀性的材料强度理论(至今工程结构设计仍沿用此理论)，到1921年Griffith［15］创建断裂力学，是固体力学理论的一个重大进展.此外，Griffith还提出了材料失效的尺度问题，即材料微观上的缺陷会引起宏观失效的强度变化问题，但这一问题直到近40年后才被系统地研究［16］.20 世纪中期，Kachanov［17］利用连续损伤变量描述材料微观缺陷及其对力学性能的影响，由此开创的连续损伤力学是固体力学理论又一重大突破.20世纪末，损伤力学开始从最初宏细微观结合的损伤理论向多尺度力学发展.尽管固体材料强度与结构失效仍然是固体力学在21世纪面临的最大挑战之一，但是多尺度科学的兴起对于处理跨尺度非线性耦合的损伤诱发灾变问题开辟了正确方向［18］.

2 研究现状

2.1 结构性能分析与损伤计算方法

随着工程科学和技术的发展，土木结构安全性领域的研究已经从单纯使用阶段的安全设计发展到工程全寿命周期安全管理［1］.已有研究表明，所有材料与结构先天都不是“完好”的［2］.虽然在设计和施工时都尽可能地避免缺陷，但在服役过程中仍然会存在缺陷萌生、损伤演化或裂纹扩展等现象，即使对于正常服役的结构，也会因长期缓慢的损伤(疲劳、蠕变等)累积而造成结构履行功能时所需力学性能的逐步丧失.因此，判断结构是否安全，关键在于对工程结构和构件介于安全与失效之间的状态进行准确评价［19］.显然，这必须建立在对结构损伤演化、裂纹萌生和扩展过程机理及结构状态的准确认识基础之上.

准确认识结构损伤失效的过程、正确计算分析(预测)结构行为，是结构损伤预后的前提.在长达10卷130章、由来自21个国家超过190位著名学者撰写的系列丛书《Comprehensive Structural Integrity》［20］中，对材料和结构损伤、断裂(包括疲劳、蠕变问题等)的基本理论、计算方法进行了全面详细的论述，堪称结构性能评价大全.虽然考虑损伤的材料与结构非线性计算过程相当复杂，但随着有限元技术的提高和越来越完善的大型有限元软件的出现，在汽车、机械、航天等工业领域的结构分析中，已经可应用损伤和断裂理论进行结构或构件损伤和裂纹扩展过程的非线性分析［20］.对构件和小型结构的损伤、断裂和失效分析已经有大量理论和计算方法的积累，可以建立结构性能评价规范，尤其是针对以裂纹为主要缺陷的小型结构［21-23］.作为这方面的权威性论著，文献［21］概要介绍了结构性能评价规范中断裂评估使用的主要方法以及近年来发展起来的细观计算方法和局部化方法等.而欧洲结构完整性评估规范［22］中除了有断裂模块，还包括疲劳模块、蠕变模块和腐蚀损伤模块.但即使是这些新的结构完整性评估规范，在缺陷附近区域的应力计算中也没有考虑损伤演化、裂纹扩展过程对结构热点应力及应力重分配的影响［23］.针对大型土木基础设施结构的分析理论相对于其他机械、航空等工程领域是滞后的，这一结论出现于美国土木工程学会(ASCE)的一个报告中［24］.该委员会最近发布的报告［25］中仍然指出，现在关于土木结构系统的承载能力、服役行为的认识是严重不足的，尤其是关于既有结构在长期服役以后的实际载荷传递机制、内力分布、失效模式与剩余寿命等方面，其预测结果的误差之大往往是在数量级方面就不可接受的.

目前，在结构强度计算中，无法考虑服役期内载荷长期作用下的损伤累积与极端灾害作用下的损伤突变.混凝土是典型的缺陷材料，但在结构设计计算和规范中仍然视为是连续的“理想材料”.对实际工程结构进行的原位加载试验发现，许多传统的基本假定和计算简图与实际受力状态并不相符，计算结果大可存疑［26］.在钢结构设计规范的讨论中，认为钢结构设计方法可向非线性分析方法改变，非线性的主要根源是材料损伤演化［27］.

2.2 结构损伤预后

损伤预后既不是单纯地预测一个未发生的损伤事件，也不是对已发生的损伤状态进行识别和评估，而是要在对结构当前响应及其损伤演化机理有准确认识的基础上，利用当前响应和结构性能参数(由当前结构监测信息获得)建立的结构响应与损伤模型，推断结构在现在与将来服役载荷和环境作用下的损伤演化过程及其结构性能劣化的结果.这一过程就如同医生在掌握了病人当前症状和病理演变的基础上，预后其病情发展过程以及治疗以后的效果.同样，如果能对结构进行损伤预后，也就可以对结构全寿命周期中影响损伤演化的关键过程和因素进行干预或控制，以保证结构全寿命周期安全.从这一意义上来看，结构损伤预后是结构监测与保障全寿命安全的终极目标.

目前，关于大型土木结构损伤预后的研究工作还比较少.结构损伤预后的概念首次见诸于美国Los Alamos国家实验室举办的专题研讨会报告［28］.会议讨论了与损伤预后相关的议题，如损伤模型、裂纹传递、基于模型的反问题以及损伤预后的不确定性验证与确认等.Farrar等［29］对结构损伤预后做了进一步论述，指出了结构预后分析框架.根据这一框架，结构损伤预后分析过程中的关键问题包括:基于结构响应信息反演结构参数的结构损伤识别、结构初始缺陷的确定和结构损伤演化的模拟、基于结构载荷环境历史的荷载预测模型以及综合结构系统参数和荷载预测模型而建立的损伤预测模型.这些工作主要集中在疲劳损伤预后的框架构建［30］上，并且大多针对航空、机械领域，土木工程领域鲜少涉及.Gobbato等［31］借鉴基于性能的抗震分析框架，提出了飞机结构连接件的疲劳损伤预后可靠性分析的框架.Ling等［32］系统讨论了基于结构健康监测的疲劳预后分析理论，并给出了一个圆柱构件承受弯矩和扭矩的数值算例.Engel等［33］回顾并讨论了结构寿命预测的关键问题，但仍然侧重于航天领域.Schwabacher［34］系统阐述了人工智能算法在损伤预后分析中的应用，并指出验证和确认(verification and validation，V＆V)是损伤预后分析中的最大挑战.

作为一种SBES(simulation-based engineering science)方法，结构损伤预后必然须面对SBES所面临的两大核心科学问题，即复杂系统或工程体系从微观到宏观的多尺度模拟和仿真方法以及在指定精度和可靠性下的仿真分析结果［31］.其中，在指定精度和可靠性下的预后分析也涉及到V＆V问题.整体而言，V＆V还处在发展的初期阶段，其基本定义和原则一直备受争议［35］.虽然结构预后分析是结构识别的理想目标，但由于问题的复杂性，对其研究也处于初级阶段，尤其是在土木工程领域才刚刚起步.基于桥梁结构健康监测系统的疲劳损伤累积分析方法［36-38］，其实就是结构疲劳损伤预后研究的初步尝试.

损伤预后取决于3个研究领域的发展:结构仿真模拟(predictive modeling)、先进的传感系统(advanced sensing)及数据分析(data interrogation)［29］.其中，传感系统和数据分析涉及较多的技术问题，已经得到了广泛重视和大量研究，而损伤预后中结构损伤过程的仿真分析理论和算法涉及更多的力学科学问题，尚未深入展开研究.结构识别是涉及到多个层次(包括材料、传感元件、传感器及其系统、数据采集及传输系统、局部构件与整体结构)的系统工程.材料在微观或者细观尺度上的损伤，经过多个不同尺度的物质和结构层次上的损伤演化，最终会导致整体结构的破坏;这一过程的模拟是DP系统的核心，而其中的核心科学问题就是结构多尺度损伤演化机理.

2.3 多尺度演化过程模拟

大型土木工程结构损伤演化诱致的结构失效通常表现为突发性灾变，灾变前很难捕捉到明显的前兆.破坏失效前的演化过程涉及很宽的空间和时间尺度范围，其破坏过程通常是由大量微损伤的累积并通过跨尺度的非线性发展而诱发灾变的.在此过程中，小尺度上的某些效应可能被强烈放大上升为显著的大尺度效应，对系统的灾变行为产生重要的影响.对于这类结构失效的尺度相关特性，Bazant等［16］专门综述了结构失效尺度率的认知历史及其本质，重点讨论了脆性材料特别是混凝土破坏的尺寸效应及其机理.这些已被认识到的结构损伤演化尺度相关性，决定了大型土木结构损伤预后分析必须是跨尺度模拟与分析的.

多尺度模拟和计算是21世纪迅速发展的热点与前沿研究领域［39］.目前，国际上方兴未艾的多尺度分析大都针对材料特性的分析需要，并应用于复合材料(包括混凝土材料)的多尺度损伤与失效过程模拟中［40-44］.对于大型土木结构而言，由于作用在上千米结构上的载荷、整体响应与发生损伤的小于毫米级的局部细节以及材料中客观存在的微观缺陷在分析尺度上相差甚远，如果在同一尺度上运用结构分析模型，必然使得分析结果与实测结果有较大偏差.因此，大型土木工程结构同样存在多尺度模拟和计算的需要，此处涉及的空间尺度量级应该为微/细观尺度到宏观尺度［45］.然而，目前关于复杂土木结构多尺度损伤演化过程的时空多尺度模拟与分析方法的研究较少，缺乏系统的论述与足够的关注.笔者的研究团队在大跨桥梁结构空间多尺度模拟方面的初步研究结果［46-48］表明，结构多尺度力学问题与材料多尺度力学问题之间既存在共性的问题，也有其个性化特点和难点问题.结构最终的破坏常常是非常突然的灾难性行为，即Bai等［49］提到的临界敏感性(critical sensitivity).结构中多尺度损伤演化过程在不同层次上的临界敏感性表现为，如果结构服役期内长期累积的损伤已达一定程度，脆弱的非稳定状态随时可能被极端灾害引发过载导致损伤演化的“跃进”而打破，使得损伤演化从材料或构件层次突然上升至上一层次，造成突发灾难.要揭示这种损伤多尺度演化机理，必须进行一致(concurrent)或并行(integrated)的结构多尺度模拟和分析.

2.4 结构损伤多尺度模拟与分析

2.4.1 结构损伤多尺度模拟

近年来，笔者的研究团队在结构损伤多尺度模拟研究中取得了较多进展［50-60］.大型土木结构的钢构件交汇处由于构造与连接特性往往容易发生应力集中，同时这些交汇连接处在通过铆接、焊接等方式连接时，由于现场施工质量难以控制，总会存在细观的孔洞、微裂纹等先天缺陷，加剧了该处的应力集中现象，使之成为结构易损部位.在结构服役过程中，即使大部分构件都处于弹性变形阶段，这些易损部位也可能到达塑性、发生损伤乃至局部失效.针对这类问题，建立了结构损伤跨尺度演化的广义场方程组，并进行全耦合求解，以实现细、宏观尺度下应力、应变、损伤等力学参量的跨尺度定量转换，准确描述结构局部的细观损伤状态、演化过程及其对结构宏观应力应变响应与失效的影响［53］.在结构劣化的初期阶段，如果局部损伤演化的程度尚未达到诱致结构失效(即损伤变化不太剧烈)，可利用均匀化方法来建立微/细观尺度损伤与宏观尺度损伤之间的跨尺度关联，进行损伤跨尺度演化的广义场方程组全耦合求解.在结构劣化的中期和末期，局部损伤演化程度较高时，可能会导致损伤区域蔓延甚至发生局部失效，这就要求进行多尺度并发计算，以避免在损伤非线性迭代计算过程中使用递阶方法必然会造成的误差累积.并发计算首先要求建立结构一致多尺度模型，并在不同尺度的交界面上建立宏、细观变量的跨尺度关联，从而进行结构损伤的并发多尺度计算.

2.4.2 动态跨尺度界面模拟

结构损伤跨尺度演化过程模拟中的关键问题主要包括:① 结构多尺度模型的建立、修正和验证;② 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题;③适用于大型结构多尺度模拟和损伤跨尺度演化分析的实施策略与技术.其中，结构多尺度模拟中的连接与跨越问题指的是在不同量级尺度下模型之间的衔接或界面区域的处理.由于不同尺度所采用的有限单元类型节点的自由度和精度各不相同，因此实现跨尺度界面衔接的关键在于如何实现尺度交界面处节点数量不对应情况下的变形协调.基于不同尺度的交界面节点耦合的多点约束法是一种能够有效衔接交界面上宏、细观变量的方法，其基本思想是通过约束方程实现不同尺度之间参量的跨尺度关联［59］.

损伤局部演化造成结构失效的过程是一个随结构服役时间变化的动态过程，结构的几何、物理性质会随着损伤演化的发展而发生动态变化，尤其是在临近失效时这些变化会变得非常剧烈.此时，结构多尺度模型中原来采用大尺度进行建模计算的部分，会随着损伤演化区域的蔓延而不再适合，甚至可能造成很大的误差.这就要求必须从动态的角度审视损伤演化造成的结构失效过程以及其中的跨尺度连接问题，在计算过程中随时监测损伤演化的状态，并适时对原有模型进行适当修改，形成跨尺度连接的动态机制.为此，笔者的研究团队正在尝试建立结构损伤跨尺度演化过程计算中跨尺度交界面的动态模拟机制和实施技术［60］.研究结果表明，初步建立的方法能够在考虑跨尺度界面随着损伤区扩展而动态变化的情况下，保证多尺度计算精度及响应在跨尺度界面上的连续性.

2.4.3 多尺度计算方法

目前，多尺度计算方法主要分为两大类:串行(sequential)多尺度方法和并行(concurrent或integrated)多尺度方法［38］.在土木结构分析中得到部分应用的经典子结构法、子模型法以及代表体元法，都属于典型的串行多尺度方法.利用该类方法可通过对结构中关键部位进行二次分析，获得与结构安全性相关的结构响应量的评价.然而，这类方法需要人工引入细观模型的边界条件，导致计算结果往往具有一定的误差，同时也不适于分析结构损伤的非线性演化过程.因此，串行多尺度方法难以实现由结构损伤演化导致破坏的全过程分析.现有的多尺度数值计算方法还无法应用于不同尺度间耦合的机理分析中，即探讨小尺度如何影响大尺度的行为和性能，这是结构多尺度损伤演化分析中的重要任务.Bai等［49］针对某些不同尺度强耦合的情况(如层裂)，采用统计细观损伤力学的范式处理，探讨了材料破坏的机理.Liu等［61］对已有的多尺度方法进行了全面的总结，并在综合诸多成功方法的基础上，提出了一种尺度连接的通用方法，即通过引入虚拟内力(内力功)法，使得连接界面满足力等效和能量等效，可供大型土木工程结构损伤多尺度分析时借鉴.必须看到，结构的动力破坏过程是一个复杂的时空多尺度损伤演化过程.为了对结构进行时空多尺度分析，Ladeveze等［62］对时空尺度进行了3个层次的分解计算，构造了一种有别于平均化过程的多尺度方法.对于流固耦合问题(如大跨桥梁受风载荷作用下的动力破坏等)，Takizawa等［63］提出了一种基于多尺度变分方法发展的时空多尺度方法，为研究结构动力破坏过程的多尺度计算提供参考.

3 关键科学问题与解决思路

揭示结构损伤多尺度非线性演化机理并且能够准确地模拟其演化过程，是大型土木结构多尺度损伤预后的首要关键科学问题.在揭示服役与极端灾害环境载荷作用下结构损伤多尺度(微/细、宏观尺度)非线性演化机理的基础上，才能建立结构损伤演化过程分析的时空多尺度模型和多尺度计算方法，为结构损伤预后研究提供理论分析的基础.解决这一关键科学问题的主要思路是，合理表征服役载荷与极端灾害环境下材料与构件在不同尺度上的损伤变量，准确抓住其所属层次、所属尺度上的损伤特征及其主要影响因素，并探明其物理意义和跨尺度的关联性，进行多尺度损伤表征、量化与模拟分析.结构损伤多尺度演化过程模拟与分析的思路如图1所示.

在探明结构损伤多尺度非线性演化机理的基础上，要进行大型土木结构多尺度损伤预后还必须解决第2个关键科学问题，即结构服役过程中遭遇极端灾害作用时损伤演化中跨层次突变导致的结构灾变机理及其损伤过程预测.揭示这种服役载荷与极端灾害交互作用下的结构损伤演化的跨层次灾变机理，是进行结构预后分析的关键.解决这一关键科学问题的主要思路是:发展新型的多层次传感器优化与多层次结构响应监测技术，提出基于多层次监测信息的结构多尺度响应重构方法，以表征和识别结构在极端灾害下损伤跨层次演化的特征及其临界状态;考虑结构在极端灾害作用下可能发生的强非线性破坏、极端载荷与结构响应的强耦合现象;发展新型的结构状态反演分析理论与方法，以确定结构损伤灾变状态.

图1 结构多尺度损伤演化机理分析的研究技术路线

大型土木结构安全性能的影响因素多、时间跨度长，其间受到许多不确定性因素的影响，使得结构损伤预后分析中存在诸多不确定性，主要包括系统本身的随机不确定性(如监测数据和结构参数不确定性)与认知不确定性.如果不考虑这些不确定因素，多尺度损伤预后基础上的全寿命安全性能评估势必会出现概率意义下的偏差，影响预后分析和安全性评估的可靠性，甚至会导致结果可靠性过低而不再具有实际意义.损伤预后分析绝不是单纯的结构损伤过程模拟，它需要在结构损伤模拟过程中，结合结构运营监测系统(SUM)、结构健康监测系统、结构在载荷环境与运营状态方面的过去历史、现在状态和通过模型预测的将来行为，并综合结构载荷与运营环境的设计值以及结构试验与维护信息，发展成为结构预后系统.研究和建立结构损伤预后系统的技术路线如图2所示.

4 发展趋势与应用前景

基于上述现状分析，该领域研究的发展趋势可总结如下:

1)结构监测与损伤识别方法着眼于结构损伤演化的“结果”，容易造成结构“已病而不治”，是被动的学术理念，必须向着眼于认识结构损伤“过程”的方向发展.

2)结构损伤多尺度演化过程模拟是结构损伤预后的核心.虽然大型土木结构损伤预后中的结构多尺度损伤模拟与计算研究才刚刚起步，但材料多尺度领域发展起来的一些多尺度计算方法仍然是可供借鉴的.

3)当前大量的损伤检测理论与方法无法成功应用于大型土木工程中，结构损伤预后则是突破这一困境的希望.只有转变思路，变检测损伤“结果”为预后损伤演化的“过程及其后果”，才有望让SHM系统发挥作用，以确保大型土木结构安全.尽管损伤预后分析在土木工程领域才刚刚起步，但初步的研究结果已表明，结构多尺度损伤预后将成为大型土木工程结构全寿命安全的未来保障.

图2 大型土木结构损伤预后系统集成研究的技术路线

由此可见，虽然结构多尺度损伤预后研究面临巨大的科学问题挑战，只要充分利用多尺度科学的发展和大型土木结构安全服役需求带来的推动力，针对共性科学问题，经过基础学科与工程学科的通力合作、努力工作，有望使结构多尺度损伤演化及预后的基础研究成为多尺度结构破坏力学基础理论发展的一个突破口.该领域的理论发展可望给土木结构全寿命安全带来如下前景:

1)揭示结构损伤多尺度、跨层次非线性演化导致结构失效的机理.相关理论研究的突破将揭示大型土木结构损伤多尺度、跨层次演化与失效机理，填补当前这方面的空白，从而改变目前大型土木基础设施工程无法预知结构中潜在损伤状况、局部失效危险性和安全可靠性的现状.

2)发展可靠的大型土木结构损伤预后方法.损伤预后可提前预见结构中潜在损伤演化的过程及其后果，以便在损伤演化从材料层次发展到构件或结构层次以前，即可成功地对结构服役性能劣化程度进行预见性的评估.通过预后主动把握结构损伤多尺度、跨层次演化的过程及其在结构性能劣化过程中表现出的行为特征，对在役和拟建大型土木结构建立损伤预后系统，启动大型土木结构全寿命周期中状态可知、可控、从而有针对性地维护管理的新时代.

3)建立基于损伤预后的大型土木结构全寿命安全的理论体系.该理论体系涵盖设计、服役、防灾减灾等结构全寿命周期中的关键环节，包括基于预后的结构“损伤性能”设计计算理论、服役环境下结构损伤跨层次演化致灾预期以及基于预后的结构剩余寿命评估，从设计、服役和防灾减灾的每一环节“思患而预防之”，为大型土木结构全寿命周期安全提供“治结构之未病”的理论基础.

5 结语

结构损伤预后的意义在于，变检测损伤结果为预后潜在损伤的演化过程及其后果，从而对长期服役期内尤其是遭受极端灾害载荷后土木结构的潜在损伤与安全性进行预后分析.通过分析，可全面掌握结构全寿命安全的主动权，在发生结构层次上的病害前提前采取预防性措施，从而有效降低结构失效的风险.此外，还可针对预后分析获得的结构多尺度损伤演化规律及其对结构性能劣化的影响，从设计、服役和防灾减灾等结构全寿命周期安全的每一关键环节，对结构提供“治未病”之策略.

纵观破坏力学的发展及其工程应用的历史，始于20世纪40年代的断裂力学于70年代起就应用于航空、压力容器结构设计规范和结构疲劳校核计算;但是，发展近半个世纪的损伤力学在推动结构计算方法和设计观念变革方面仍蓄势待发.伴随着结构全寿命周期安全理念的推广(重大需求推动下工程界观念改变)和多尺度损伤预后理论的建立(提供必需的基础理论和方法)，发展全新的结构安全基础理论和方法已势在必行.为此，在应对土木工程结构的安全需求、发展结构多尺度损伤预后理论的同时，也需大力推动破坏力学等相关力学理论的发展.

在本文的主要学术思想尤其是相关研究思路形成的多次研讨过程中，香港理工大学徐幼麟教授、合肥工业大学任伟新教授、武汉大学徐礼华教授、同济大学薛松涛教授以及东南大学吕志涛院士、张建教授、吴刚教授、刘钊教授等均发表了诸多建设性意见，使笔者深受启发，对此笔者深表谢意!在本文文献综述工作过程中，笔者研究团队的郭力副教授、糜长稳副教授、靳慧副教授、张培伟讲师、王莹讲师以及博士生吴佰建、何顶顶、郑哲远、王新月等协助开展了大量工作，在此也深表感谢!

References)

［1］工程技术发展研究综合专题组.2020年的中国工程技术发展研究［R］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］Milne I，Ritchie R O，Karihaloo B.Comprehensive structural integrity:structural integrity assessment-examples and case studies［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［3］Farrar C R，Worden K.An introduction to structural health monitoring［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):303-315.

［4］李宏男，高东伟，伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展［J］.力学进展，2008，38(2):151-166.Li Hongnan，Gao Dongwei，Yi Tinghua.Advances in structural health monitoring systems in civil engineering［J］.Advances in Mechanics，2008，38(2):151-166.(in Chinese)

［5］Xu Y L，Xia Y.Structural health monitoring of longspan suspension bridges［M］.Oxford:CRC Press，2012.

［6］杨智春，于哲峰.结构健康监测中的损伤检测技术研究进展［J］.力学进展，2004，34(2):215-223.Yang Zhichun，Yu Zhefeng.Progress of damage detection for structural health monitoring［J］.Advances in Mechanics，2004，34(2):215-223.(in Chinese)

［7］Aktan A E，Catbas F N，Grimmelsman K A，et al.Development of a model health monitoring guide for major bridges［R］.New York:Federal Highway Administration Research and Development，2002.

［8］Brownjohn J M.Structural health monitoring of civil infrastructure［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):589-622.

［9］Doebling S W，Farrar C R，Prime M B，et al.Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics:a literature review［R］.Los Alamos，New Mexico，USA:Los Alamos National Laboratory，1996.

［10］Doebling S W，Farrar C R，Prime M B.A summary review of vibration-based damage identification methods［J］.Shock and Vibration Digest，1998，30(2):91-105.

［11］Friswell M I.Damage identification using inverse methods［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):393-410.

［12］Fassois S D，Sakellariou J S.Time-series methods for fault detection and identification in vibrating structures［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):411-448.

［13］Fan W，Qiao P.Vibration-based damage identification methods:a review and comparative study［J］.Structural Health Monitoring，2011，10(1):83-111.

［14］白以龙，汪海英，柯孚久.从“哥伦比亚”号悲剧看多尺度力学问题［J］.力学与实践，2005，26(3):1-6.Bai Yilong，Wang Haiying，Ke Fujiu.A view on multi-scale mechanical problems from columbia tragedy［J］.Mechanics in Engineering，2005，26(3):1-6.(in Chinese)

［15］Griffith A A.The phenomena of rupture and flow in solids［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，1921，221(582):163-198.

［16］Bazant Z，Chen E P.结构破坏的尺度率［J］.力学进展，1999，29(3):383-433.Bazant Z，Chen E P.Scaling of structural failure［J］.Advances in Mechanics，1999，29(3):383-433.(in Chinese)

［17］Kachanov L M.Time of the rupture process under creep conditions［J］.Izv Akad Nauk SSSR Otd Tekh Nauk，1958，8:26-31.(in Russian)

［18］何国威，夏蒙芬，柯孚久，等.多尺度耦合现象:挑战和机遇［J］.自然科学进展，2004，14(2):121-123.He Guowei，Xia Mengfen，Ke Fujiu，et al.Multiscale coupling:challenges and opportunities［J］.Advances in Natural Science，2004，14(2):121-123.(in Chinese)

［19］Miller K.Structural integrity—whose responsibility?［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part L:Journal of Materials Design and Applications，2003，217(1):1-21.

［20］Milne I，Ritchie R O，Karihaloo B.Comprehensive structural integrity［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［21］Zerbst U，Schwalbe K H，Ainsworth R A.An overview of failure assessment methods in codes and standards［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［22］FITNET.Welded structures，design，fabrication and structural integrity:final technical report［EB/OL］.(2006)［2012-10-12］.http://www.eurofitnet.org/reports.html.

［23］Gutiérrez-Solana F，Cicero S.FITNET FFS procedure:a unified European procedure for structural integrity assessment［J］.Engineering Failure Analysis，2009，16(2):559-577.

［24］Doebling S，Farrar C R.The state of the art in structural identification of constructed facilities［EB/OL］.(1999)［2012-10-12］.http://www.lanl.gov/.

［25］Çatbaş F N，Kijewski-Correa T，Aktan A E.Structural identification of constructed facilities:approaches，methods and technologies for effective practice of structural identification ［R］.Reston，VA，USA:ASCE Press，2011.

［26］邸小坛，叶列平，徐有邻.《混凝土结构设计规范》修订简介(二)——混凝土结构的安全与抗灾性能［J］.建筑结构，2011，41(3):118-123.Di Xiaotan，Ye Lieping，Xu Youlin.Introduction of revision of code for design of concrete structure:safety and calamity resistance performance of concrete structures［J］.Building Structure，2011，41(3):118-123.(in Chinese)

［27］沈祖炎.中国《钢结构设计规范》的发展历程［J］.建筑结构学报，2010，31(6):1-6.Shen Zuyan.Development of the Chinese'code for design of steel structures［J］.Journal of Building Structures，2010，31(6):1-6.(in Chinese)

［28］Inman D J，Farrar C R.Damage prognosis:current status and future needs［R］.Los Alamos，New Mexico， USA:LosAlamosNationalLaboratory，2003.

［29］Farrar C R，Lieven N A.Damage prognosis:the future of structural health monitoring［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physicaland Engineering Sciences， 2007， 365(1851):623-632.

［30］Boller C，Buderath M.Fatigue in aerostructures—where structural health monitoring can contribute to a complex subject［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):561-587.

［31］Gobbato M，Conte J P，Kosmatka J B，et al.A reliability-based framework for fatigue damage prognosis of composite aircraft structures［J］.Probabilistic Engineering Mechanics，2012，29:176-188.

［32］Ling Y，Mahadevan S.Integration of structural health monitoring and fatigue damage prognosis［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012，28:89-104.

［33］Engel S J，Gilmartin B J，Bongort K，et al.Prognostics，the real issues involved with predicting life remaining［C］//Proceedings of 2000 IEEE Aerospace Conference.Big Sky Resort，Montana，USA，2000:457-469.

［34］Schwabacher M A.Survey of data-driven prognostics［C］//Proceedings of the AIAA Infotech Aerospace Conference.Reston，VA，USA，2005:26-29.

［35］Oden J T，Belytschko T，Fish J，et al.Revolutionizing engineering science through simulation［EB/OL］.(2006-05)［2011-10-22］.http://www.nsf.gov/pubs/reports/sbes_final_report.pdf.

［36］Li Z X，Chan T H T，Ko J M.Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health monitoring data.PartⅠ:methodology and strategy［J］.International Journal of Fatigue，2001，23(1):45-53.

［37］Chan T H T，Li Z X，Ko J M.Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health monitoring data.PartⅡ:application［J］.International Journal of Fatigue，2001，23(1):55-64.

［38］Li Z X，Chan T H T，Ko J M.Health monitoring and fatigue damage assessment of the bridge deck sections［C］//Proceedings of the 5th International Symposium on Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aging Infrastructure.Newport Beach，CA，USA，2000:346-357.

［39］Chong K P.NSF research in mechanics-computational＆ other areas［C］//Proceedings of the 3rd Annual Meeting of the Fracture Mechanics.Zhengzhou，China，2005:323-332.

［40］Grondin F，Dumontet H，Hamida A，et al.Multiscales modelling for the behaviour of damaged concrete［J］.Cement and Concrete Research，2007，37(10):1453-1462.

［41］Andrade J E，Avila C F，Hall S A，et al.Multiscale modeling and characterization of granular matter:from grain kinematics to continuum mechanics［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2011，59(2):237-250.

［42］Nguyen V P，Stroeven M，Sluys L J.Multiscale failure modeling of concrete:micromechanical modeling，discontinuous homogenization and parallel computations［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2012，201:139-156.

［43］Zhang H W，Wu J K，Fu Z D.Extended multiscale finite element method for mechanical analysis of periodic lattice truss materials［J］.International Journal for Multiscale Computational Engineering，2010，8(6):597-613.

［44］Cao L Q，Luo J L.Multiscale numerical algorithm for the elliptic eigenvalue problem with the mixed boundary in perforated domains［J］.Applied Numerical Mathematics，2008，58(9):1349-1374.

［45］吴佰建，李兆霞，汤可可.大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——从材料多尺度力学到结构多尺度力学［J］.力学进展，2007，37(3):321-336.Wu Baijian，Li Zhaoxia，Tang Keke.Multi-scale modeling and damage analyses of large civil structure—multi-scale mechanics from material to structure［J］.Advances in Mechanics，2007，37(3):321-336.(in Chinese)

［46］Li Z X，Zhou T Q，Chan T H T，et al.Multi-scale numerical analysis on dynamic response and local damage in long-span bridges［J］.Engineering Structures，2007，29(7):1507-1524.

［47］Li Z X，Chan T H T，Yu Y，et al.Concurrent multiscale modeling of civil infrastructures for analyses on structural deteriorating.PartⅠ:modeling methodology and strategy［J］.Finite Element in Analysis and Design，2009，45(11):782-794.

［48］Li Z X，Jiang F F，Tang Y Q.Multi-scale analyses on seismic damage and progressive failure of steel structures［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2012，48(1):1358-1369.

［49］Bai Y L，Wang H Y.Statistical mesomechanics of solid，linking coupled multiple space and time scales［J］.Applied Mechanics Reviews，2005，58(6):372-388.

［50］Tang K K，Li Z X，He D D，et al.Evolution of plastic damage in welded joint of steel truss with pre-existing defects［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2010，54(2):117-126.

［51］Chan T H T，Li Z X，Yu Y，et al.Concurrent multiscale modeling of civil infrastructures for analyses on structural deteriorating— partⅡ:model updating and verification［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2009，45(11):795-805.

［52］李兆霞，王滢，吴佰建，等.桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用［J］.固体力学学报，2010，31(6):731-756.Li Zhaoxia，Wang Ying，Wu Baijian，et al.Multiscale modeling and analysed on structural deterioration and damage in long-span bridges and its application［J］.Chinese Journal of Solid Mechanics，2010，31(6):731-756.(in Chinese)

［53］陈志文，李兆霞.结构损伤多尺度描述及其均匀化算法［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(3):533-537.Chen Zhiwen，Li Zhaoxia.Multi-scale damage modeling and its homogenization arithmetic for analyses on structural deteriorating［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(3):533-537.(in Chinese)

［54］孙正华，李兆霞，陈鸿天.大型土木结构的结构行为一致多尺度模拟——模拟方法与策略［J］.计算力学学报，2009，26(6):886-892.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Concurrent multi scale modeling of structural behavior for response analysis of large civil infrastructure—modeling methodology and strategy［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，2009，26(6):886-892.(in Chinese)

［55］孙正华，李兆霞，陈鸿天.大跨斜拉桥结构行为一致多尺度有限元模拟［J］.中国公路学报，2009，22(5):68-74.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Concurrent multi-scale finite element modeling of long-span cable-stayed bridge［J］.China Journal of Highway and Transport，2009，22(5):68-74.(in Chinese)

［56］Tang K K，Li Z X，Lee J D.Multiple-time-scale simulation and its application in structural health monitoring［J］.International Journal of Terraspace Science and Engineering，2009，1(3):93-97.

［57］王春苗，李兆霞，殷爱国.大型土木结构多目标一致逼近有限元模拟方法［J］.东南大学学报:自然科学版，2009，39(1):78-84.Wang Chunmiao，Li Zhaoxia，Yin Aiguo.Multi-objective concurrent approaching of simulating for civil infrastructure［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2009，39(1):78-84.(in Chinese)

［58］孙正华，李兆霞，陈鸿天.结构行为一致多尺度有限元模型修正及验证［J］.东南大学学报:自然科学版，2009，39(1):85-90.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Updating and verification for multi-scale finite element model of structure behavior［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2009，39(1):85-90.(in Chinese)

［59］汤轶群，李兆霞.强载荷下结构动力响应与损伤的跨尺度分析［J］.振动与冲击，2012，31(23):16-23.Tang Yiqun，Li Zhaoxia.Damage and dynamic response analysis for structures under strong loads with a trans-scale modeling［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(23):16-23.(in Chinese)

［60］Zheng Z Y，Li Z X，Chen Z W.Adaptive multiscale analyses on structural failure considering localized damage evolution on vulnerable joints［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，2013.(to appear)

［61］Liu W K，Qian D，Gonella S，et al.Multiscale methods for mechanical science ofcomplexmaterials:bridging from quantum to stochastic multiresolution continuum［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2010，83(8/9):1039-1080.

［62］Ladeveze P，Nouy A.On a multiscale computational strategy with time and space homogenization for structural mechanics［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2003，192(28/29/30):3061-3087.

［63］Takizawa K，Tezduyar T E.Multiscale space-time fluid-structure interaction techniques［J］.Computational Mechanics，2011，48(3):247-267.