大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景

第４３卷第５期２０１３年９月　东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．５Ｓｅｐｔ．２０１３ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１３．０５．０３４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）摘要：针对大型土木结构安全服役的迫切需求，提出了“治结构之未病”的学术理念和结构多尺度损伤预后的研究思路．指出这类结构安全的共性问题是其损伤跨越了材料、构件和结构层次，是从微／细观到宏观尺度的多尺度、跨层次非线性演化．从发展多尺度损伤预后方法的驱动力、结构多尺度损伤预后相关理论研究现状、大型土木结构多尺度损伤预后的关键科学问题与解决思路以及大型土木结构多尺度损伤预后的发展趋势等方面，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．指出结构多尺度损伤预后研究需解决的关键科学问题包括结构损伤多尺度非线性演化机理、结构遭遇极端灾害作用时损伤跨层次突变导致灾变的机理及其损伤过程预测以及大型土木结构损伤过程模拟与分析中的不确定性和预后可靠性等．最后，展望了发展结构多尺度损伤预后理论对于结构全寿命安全的应用前景．关键词：大型土木结构；损伤演化；多尺度模拟；损伤预后；结构健康监测中图分类号：Ｏ３４６．５；ＴＵ３１２．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－０５０５（２０１３）０５－１１１１－１１Ｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｉｎｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓｆｏｒｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓＬｉＺｈａｏｘｉａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）（ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｅｗｉｄｅａｏｆ“ｔｒｅａｔｉｎｇｐｒｏ－ｄｉｓｅａｓｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”ｂｙｐｒｏｇｎｏｓｉｓｏｎｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｉｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｃｏｍｍｏｎｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｐｒｏｂ－ｌｅｍｉｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓａｆｅｔｙｓｅｒｖｉｃｅｉｓｔｈａｔｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅａｎｄｃｒｏｓｓ－ｌｅｖｅｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｆｒｏｍｍｉｃｒｏ／ｍｅｓｏ－ｓｃａｌｅｔｏｍａｃｒｏ－ｓｃａｌｅａｎｄａｃｒｏｓｓｔｈｅｍａｔｅ－ｒｉａｌｓ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｌｅｖｅｌｓ．Ｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅａｒｔｉｎｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓｉｓｄｅ－ｓｃｒｉｂｅｄｆｒｏｍｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔｓ：ｔｈｅｍｏｔｉｖａｔｉｏｎｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇ－ｎｏｓｉｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｅｓｉｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｒｅｌａｔｅｄｔｏｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓ，ｋｅｙｉｓｓｕｅｓｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｍａｊｏｒｃｉｖｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅｎｅｗｉｄｅａｓｆｏｒｔｈｅｒｅ－ｓｅａｒｃｈ，ｔｒｅｎｄｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｙｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｎｏｎｌｉｎ－ｅａｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍａｇｅ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄａｍａｇｅｅ－ｖｏｌｕｔｉｏｎｕｐｔｏｃａｔａｓｔｒｏｐｈｅｗｈｅｎｓｕｆｆｅｒｅｄｅｘｔｒｅｍｅｄｉｓａｓｔｅｒｓ，ｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｉｎｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｇｎｏｓｔｉｃｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｊｏｒｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄａｍａｇｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ收稿日期：２０１３－０５－２７．　作者简介：李兆霞（１９５７—），女，博士，教授，博士生导师，ｚｈｘｌｉ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１０７２０６０）．引文格式：李兆霞．大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景［Ｊ］．东南大学学报：自然科学版，２０１３，４３（５）：１１１１１１２１．［ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－０５０５．２０１３．０５．０３４］ 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（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，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［４５］．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（ｄａｍａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ＤＤ）方面的研究［７８］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［９１０］．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”［１１１３］．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２１１１东南大学学报（自然科学版） 第４３卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ“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（ｄａｍａｇｅｐｒｏｇｎｏｓｉｓ，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枟ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＩｎ－ｔｅｇｒｉｔｙ枠［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３１１１第５期李兆霞：大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ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［２１２３］．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ＬｏｓＡｌａｍｏｓ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（ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｖ＆Ｖ）是损伤预后分析中的最大挑战．作为一种ＳＢＥＳ（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅ）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［３６３８］，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（ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｍｏｄｅｌｉｎｇ）、先进的传感系统（ａｄｖａｎｃｅｄｓｅｎｓｉｎｇ）及数据分析（ｄａｔａｉｎｔｅｒｒｏｇａ－ｔｉｏｎ）［２９］．其中，传感系统和数据分析涉及较多的技４１１１东南大学学报（自然科学版） 第４３卷ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ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，Ｂａ－ｚａｎｔ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［４０４４］．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［４６４８］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（ｃｒｉｔｉｃａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）．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［５０６０］．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５１１１第５期李兆霞：大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景ｈｔｔｐ：／／ｊｏｕｒｎａｌ．ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。