浅谈水工近况及结构模态辨识理论

郜迪+张金

摘 要：水工建筑物结构的安全问题关乎全国人民的幸福、国家的兴旺以及民族的复兴。只有把它控制在对人类有利的范围内，我国才能继续前行。因此，结构模态辨识方法就需要大众了解并很好地运用。只有这样达到实时检测水工结构，才不会给危害留有一点机会。

关键词：水工建筑物结构；模态参数；激励；损伤；健康监测；辨识方法

我国水能资源居世界首位，开发的重点在西南的金沙江和大渡河等干支流以及西北的黄河上游，这些河流具有高水头、狭窄河谷、大流量、地质条件复杂等特点。在这些地方修建高坝大型水库，其泄洪能力往往是很大的，能够达到国外同类工程的几倍甚至几十倍。因此，一个重要的问题摆在面前：那就是大型水利工程结构泄流安全问题，这也是我国水利水电工程建设中急需要解决的难题，且国外没有成功的经验可以直接借鉴。水利工程的安全问题是我国每个人都非常關心的问题，因为它涉及到每个人的人身安全。为了保障水电站大坝的安全和对它进行时刻监控，国家统一对大坝的安全状况进行定期抽样检查，定检结果如下：一直到1999年年底，我国已有30413座大坝存在一定问题，从1999-2002年，垮坝达245座；在我国以发电为主的130多座水电站大坝中，存在9座病险大坝，对附近的人民幸福生活存在很大隐患。经过仔细检查发现，这些病危大坝存在的主要问题是由多次洪水冲刷、施工质量不过关、工程设计的不是很完善、运行管理的松懈以及检测不到位等问题引起的。其中，高混凝土坝存在裂缝等安全问题，也需要同等的检测保养。

通过以上的一系列问题可以看出，我国水工建筑物结构安全问题存在很大隐患，有各种问题急需解决。尤其是始建于20世纪五六十年代的大坝和水库，由于那时技术有限、着急赶工期等因素，对建筑物的设计不是很完善。加上施工质量不达标以及管理松懈、监管不到位等原因，使得水工建筑物在很多部位都存在着一定的破损。再过几十年，将会有大量水工建筑物达不到标准，产生一系列问题。如果这些问题不能得到有关部门的及时处理，任由其破损下去，会对附近及整个国家产生极大损失，人民的幸福生活也得不到保障，我国的生态环境和我国经济实力都会相对程度地削弱。这是所有人都不想看到的，所以对其进行检修势在必行。

我国已经注意到这些问题的严重性，已采取一系列措施来改善水工建筑物的安全问题。需要想的是，如何通过一定的措施，水工建筑物安全健康状况的评估和监控更加合理化和科学化。要对病危的建筑物进行修复，以保证其能够继续安全运行下去，这是重中之重的问题，也是需要我们尽快解决的。

在研究重大结构灾变行为和健康监测时，首先遇到的关键问题之一，就是正确地辨识或监测结构工作的特性。可以把水工建筑物结构的模态辨识分为两部分：一是传统的结构模态辨识，其工作原理主要是用结构物件振动的输入和输出数据来辨识结构的模态参数，主要的分析方式是依据单输入和单输出频域分析方法，或者依据多输入和多输出的频域分析方法；二是环境激励的结构模态参数辨识，此原理主要是把环境激励作为结构的输入，通过结构输出数据和部分输入数据，或仅利用输出数据来辨识结构的模态参数，环境激励的结构模态分析方法主要应用于正在处于工作状态的水工建筑物结构。

1 传统的模态参数辨识方法

传统水工结构模型的模态试验一般主要是冲击锤激振方法，这个方法运行不复杂，方便实施。为了能达到一定的精确度，该方法还要结合测量结构的传递函数。只要是通过对结构的激励和响应信号在频域内进行同步分析和处理得到的传递函数，就可以进行相应计算，得出结论。

由于水工结构模型是按原水工建筑物一定比例尺缩小的模型，结构刚度相对来说小，这个方法的精度比较高。尤其是在一些其他领域的应用非常广泛，得到了普遍的认可。另外，就大型水工结构的原型动力试验来说，其主是要研究建筑物结构的某一特定性能在特定的条件下进行的一系列特定的试验。

2 环境激励的结构模态参数辨识方法

环境激励下的工程结构参数辨识，国内外有相应的发展过程，国外的相对来说研究的较早。早在20世纪60年代，Clarkson B. L.等通过相关函数分析随机激励下小阻尼结构的响应，Crawford R.等运用环境激励对楼房进行了具体的分析。在接下来几十年的发展中，随着其他的方面迅猛发展，环境激励法也取得了一定的发展，在其他领域也得到了广泛的应用。为解决工程上的问题提出的一系列辨识方法，环境激励方法又进一步发展。

传统的水工结构模态参数辨识方法已经在水工建筑物结构分析中取得了大众的认可，但是传统的方法也有一些避免不了的问题，一直困扰着大家。首先，在对水工建筑物进行人工激励时，由于操作起来难度较大，并且还需要高昂的设备以及专业的技术人员来操控，相对成本较高，并且它也有可能会影响建筑物的正常工作。这不仅耗费大量的人力，其造成的经济损失也是不可估量的。其次，人工激励的不确定性也非常可能对建筑物的结构造成一定量的损伤。因为传统的模态测试时，要对现场和道路进行封闭。由于所谓的在线试验是根本达不到的目标，因此也就无法对建筑物结构进行实时监测，这是一个非常重要的问题，它做不到对建筑物结构的安全问题进行检测。

世间万事万物都有其利弊，传统方法也是如此，它也有其有利的一方面。首先，只需要注意测试结构在监测情况下的响应数据，就可以辨识结构的模态参数，不需对结构再次施加激励，因为激励是未知的，所以仅需通过仪器对实测结构在水流等激励下的响应数据，就可以辨识出结构的工作模态参数，这样就能对结构进行监控和实测，简单和便捷。其次，是有很强的经济性。因为该辨识方法不需要额外施加人工激励，基本全靠环境带给结构的激励，省去了大量的人力和物力。这样节省下来一大笔资金，可以减小预算，同样对水工建筑物结构不会造成必要的损伤。最后，通过在环境激励的情况下，用对建筑物结构实测的数据来辨识结构参数，能够辨识由于环境激励引起的模态参数变化。这个优点对由于无法施加人工有效激励、从而无法辨识这些结构的模态参数的传统方法而言，是一大特点。通过其解决了一系列工程上的疑难杂症，取得了大众的认可。

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