谈基于结构动力响应的结构损伤检测★

吴海 邓宇 卢鹏

(广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004)

随着科学技术的成熟与发展，土木工程结构为各领域所广泛需求。当代的土木工程结构在多功能性的运用要求与多元化的文化理念影响下，多数土木工程结构具有结构规模庞大、结构选型复杂、多元使用需求等特性。土木工程结构通常具有较长的服役期，在长时间的服役期间，多样性的建筑结构由于自身材料的老化、温度效应与外部环境侵蚀、人为使用以及自然灾害等诸多影响，内外部损伤的形成是无法避免的。内外部损伤的逐步累积，导致结构存在着危险漏洞，进而引发突发性的重大安全事故，直接威胁到国家经济正常运作与人身财产安全。因此，土木工程的损伤检测变得越发重要，对损伤检测技术更深入的研究与运用成为对建筑结构健康维护的主流趋势。结构的损伤可定义为由于结构内外部材料、环境等原因所导致的结构在服役期间的承载力下降，而损伤检测技术则是运用一定的技术手段，对结构损伤位置、损伤程度进行检测。

1 基于固有频率的结构损伤检测

结构固有频率容易测量且与测量位置无关，频率测量对周围噪声的敏感度也较低，相对振型和阻尼的测量误差小，故基于频率的损伤检测起步较早，应用也较为广泛［1］。

众所周知，当结构发生损伤时，结构的固有频率也随之变化，损伤后结构固有频率暗含损伤信息，将损伤前后的频率进行对比，从而识别结构损伤，识别方法将直接影响损伤检测结果的精度或正确性。一般通过有限元建立未损伤结构模型，通过对已建成后的实际结构来修正有限元模型，使其能真实反映实际结构;结构发生损伤后，根据实测频率来修改有限元模型，将未损伤有限元模型和修改后的有限元模型进行比较，从而检测出结构的损伤位置和程度。但是对于大型或复杂结构，进行实际测量存在困难，测点有限，且测量数据受噪声干扰严重及测量数据严重不足，这就使得建立的未损伤有限元模型与实际损伤前结构存在差别，将直接影响损伤检测的精确性。另外，结构不同部位的损伤可能导致相似的频率变化，对称位置的损伤产生相同频率的变化，这都将增加结构损伤检测难度。这些不足之处限制了该方法在结构损伤检测中的应用。

2 基于模态振型和模态曲率的结构损伤检测

结构振型参数相比于结构固有频率对损伤更为敏感，也克服了结构不同部位的损伤引起相似频率变化的缺点。可以将通过有限元计算得到的未损伤结构振型与实测损伤结构振型进行比较，识别结构损伤。但是，直接将损伤前后的振型比较来诊断损伤存在困难，一是未损伤有限元模型与实际结构存在差别，二是实测到的振型存在噪声，这些都影响损伤检测的精确性。

模态曲率比模态振型对损伤的敏感度更高，Pandey A K［2］(1991)等首先将模态曲率引入到损伤检测中来，通过结构损伤前后的振型曲率变化绝对值来判断损伤位置，曲率变化最大处为损伤的位置。在对实际结构进行检测时，噪声对模态曲率的影响不容忽视，在损伤程度轻微的情况下，很难利用模态曲率进行损伤检测。

除上述提到经常用到的动态参数外，还有模态应变能，频响函数指纹，传递函数曲率指纹［3］等。

3 利用动态响应作为神经网络输入参数的结构损伤检测

基于振动的结构损伤检测方法，是根据实测的结构动力响应反演结构的动态特性，从而识别结构损伤，属于反问题，而反问题通常是不适定的，即结构动力特性测试的微小变化或误差可能导致参数识别结果发生很大的变化;实测数据由于噪声等诸多因素影响而不足或存在误差;同时建立的有限元模型与实际模型存在差别，模型存在高度非线性等困难，使得现有的无损检测方法很难应用于实际［4］。

神经网络具有自适应、联想记忆、自学习、容错性、非线性等功能，近年来被广泛应用于土木工程各领域。BP网络具有结构简单，学习算法容易实现等优点，在结构损伤检测中起到了重要的作用［4］。利用结构固有频率和神经网络进行结构损伤检测，克服了利用实测频率通过修改有限元模型进行识别损伤的困难。将有限元模型损伤前后的频率变化作为BP网络的输入［5］，输出为损伤位置，对神经网络进行训练，然后将未损伤有限元模型频率与结构实测频率的变化作为已训练神经网络的输入，输出即为实际结构的损伤情况。该方法简单易行，但是也存在不足之处，不同位置的损伤可能引起相同的频率变化，对于这种结构损伤检测结构往往是不可靠的。将模态振型或结构损伤前后的振型变化作为神经网络的输入来识别结构损伤，输出为损伤位置或损伤程度，可以得到较好的结果［6］。除利用结构固有频率和模态振型作为BP神经网络的输入参数外，还可以利用其他动态响应作为BP网络的输入，借助模态应变能、结构损伤前后的柔度矩阵变化量、应变频响函数指标，位移频响函数指标等作为BP网络的输入参数，输出为损伤位置或损伤程度。BP网络存在局部极小及收敛速度慢等缺点，影响损伤识别结果［4］，为克服这些缺点，发展了径向基函数神经网络、概率神经网络［7］、模糊神经网络等，进一步扩大了人工神经网络在结构上检测中的应用。

4 基于小波变换和神经网络的结构损伤检测

小波变换具有表征信号时域和频域局部特性的能力，因此在信号检测、特征提取、奇异性检测、信号除噪等方面得到了广泛的应用。通过对结构检测到动态信号进行小波分析，找出暗含损伤位置和损伤程度的因子，进而识别结构损伤。邱颖等［8］根据小波奇异性检测原理，采用墨西哥草帽小波对结构损伤前后的模态振型差进行小波分析，指标模极大出现的位置即为损伤位置，并指出了随着裂缝深度的增加Lipschitz指数越来越小。严平等［9］利用模态应变能小波变换系数的残差作为损伤识别指标，对结构进行损伤识别，通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型的试验研究表明，该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度。周成杰等［10］基于小波变换，采用“变异放大系数”曲线的峰值进行损伤位置的识别，通过曲线峰值大小识别结构损伤。

将神经网络和小波变换联合起来，为结构损伤检测开辟了一条新的途径。利用小波变换对检测到的动力响应进行分析，提取暗含损伤信息的特征因子，并对特征因子进行归一化处理作为神经网络的输入参数，输出为损伤位置或损伤程度，从而对结构进行损伤识别。文献［11］利用小波变换对结构的模态振型进行离散分析，小波变化模极大出现的位置即为损伤位置，将小波变换模极大作为神经网络的输入，输出为损伤程度，通过对简支梁的数值分析结果发现，该方法取得了较好的检测结果。

遗传算法为小波变换和神经网络在损伤检测中的应用注入了新的活力，通常利用遗传算法来搜索最优神经网络参数，来提高损伤检测的精度。

5 结语

基于结构动力响应的结构损伤检测方法近年来在国内外得到了广泛的应用，为更加准确的识别结构损伤，在土木工程领域引入了小波变换、神经网络、遗传算法、模糊理论等。但是随着已有结构老化的加深、新建结构复杂性的增加，目前这些方法大都局限于数值模拟分析和简单结构的试验研究，很难利用这些方法对实际结构进行损伤检测。为了拓宽这些方法的适用范围及实用性，还有几点需做进一步研究。

1)对实际结构进行动力测试和数据采集时，应最大限度的滤除噪声干扰，因为过大的噪声将会使采集到的信号失真，引起误判或错判。2)寻找有效的方法从采集到的动态响应或数据中提取对损伤敏感的特征因子尤为重要，应提取出对损伤敏感而对噪声不敏感的特征因子，从而提高损伤检测的准确性。3)建立特征因子与损伤信息(损伤位置和损伤程度)之间的关系，虽然可以借助人工神经网络、遗传算法、模糊数学理论等等，但是对实际结构进行损伤检测还存在许多困难。

［1］Morassi A，Rovere N.Localizing a notch in a steel frame from frequency measurements［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1997，123(5)：422-432.

［2］Pandey A K，Biswas M，Samman M M.Damage detection from changes in curvature mode shape［J］.Journal of Sound and Vibration，1991，145(2)：321-332.

［3］朱宏平，余 璟，张俊兵.结构损伤检测与健康检测研究现状与展望［J］.工程力学，2011，28(2)：1-11.

［4］邱 颖.自适应神经智能方法及其在结构损伤诊断中的应用［D］.南京：河海大学，2005.

［5］Kaminski P C.The approximation location of damage through the analysis of natural frequencies with artificial networks［J］.Journal of Process Mechanical Engineering，1995，209(E2)：117-124.

［6］陈长征，罗跃纲，白秉三，等.结构损伤检测与智能诊断［M］.北京：科学出版社，2001：224-226.

［7］姜绍飞，倪一清，高赞明.基于概率神经网络的青马悬索桥损伤定位的仿真研究［J］.工程力学，2002(S1)：965-969.

［8］邱 颖，任青文，朱建华.基于小波奇异性的梁结构损伤诊断［J］.工程力学，2005，22(S1)：146-151.

［9］严 平，李胡生，葛继平，等.基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究［J］.振动与冲击，2012，31(1)：121-126.

［10］周成杰，陈清军，张 帅.基于小波变换的钢结构连廊损伤识别［J］.力学季刊，2013，34(2)：302-309.

［11］Qiu Ying，Cao Maosen.A Novel Wavelet Condition Index on damage diagnosis on beams［A］.Ninth International Conference on Engineering Structural Integrity Assessment，2007，Beijing，PRC.(ISTP).