基于振动的桥梁损伤识别方法的现状和发展_李大军
基于振动特性的损伤识别方法的研究进展_刘济科
基于振动特性的损伤识别方法的研究进展刘济科,汤 凯(中山大学应用力学与工程系,广东广州510275)摘 要:对基于振动特性的损伤识别方法做了比较详细的综述。
介绍了基于振动特性的损伤识别技术的基本问题及其在土木工程中应用的历史发展与现状,并对有关方法进行了总结和评述。
最后指出了基于振动特性的损伤识别方法还需要进一步解决的问题。
关键词:振动特性,损伤识别,工程结构中图分类号:TU317;O32 文献标识码:A 文章编号:0529-6579(2004)06-0057-05 目前,损伤识别技术已经发展并具有了坚实的物理和数学理论基础,是一门快速发展并具有广阔前景的研究领域。
基于振动特性的系统损伤识别方法是目前国内外研究的热点和难题。
这是一种全局方法,需要测得系统的模态参数(如固有频率,模态振型和模态阻尼),其基本思想是模态参数是系统物理特性(如刚度,质量和阻尼)的函数,因而物理特性的改变与系统动力响应的改变间是相关联的,可以利用这种关联来识别损伤。
这种方法和传统的无损检测技术相比特别适用于大型复杂结构,已被广泛运用于航空、航天、精密机械以及石油平台、大型桥梁、超高层建筑、大跨度网架等大型土木工程结构中。
本文拟对国内外基于振动特性的土木结构损伤识别的最新研究进展进行评述,指出了该研究领域中有待解决的一些问题。
1 振动特性的系统损伤识别 系统的特性可以用模态参数和物理参数(主要是刚度和质量参数)进行描述。
物理参数是系统特性的直观表述,可以直接用于评价系统的特性。
模态参数也是系统的一个非常重要的特性,反映结构的质量和刚度分布状态,如果结构模态参数发生变化,也能间接反映结构的物理特性的变化。
损伤识别作为结构振动反问题,在识别过程中,先识别振动模态参数,再由模态参数识别系统物理参数,最后选用合理的损伤识别方法比较损伤前后系统的特性可以定性和定量地估计系统的损伤。
因此,损伤识别按照过程可分为以下3个基本问题:①模态参数识别,谭冬梅[1]对模态的参数识别做了较完整的综述;②系统动力模型修正,顾松年[2]对模型修正方法做了很好的综述;③损伤识别,选用恰当方法进行损伤识别的。
桥梁结构损伤参数识别技术的研究现状和发展趋势
近年来 ， 国 内外学者一直在寻找一种能适用于一个关键。 桥梁结构 的损伤识别与定位方法 ， 从基于实测物理量 的不
安 徽
大型性很难采用 ， 利用环境振动对结构损伤进行识别值得深入
研究 ；
⑥ 目前识别方法依赖 于未 损结构 的精 确有限元模 型或试
④研究试验参 数变化 、 环境参数变化对结构损伤识别的影 响；
①有能及时发现间隔期内的损伤 ； ②结构 的一些部位人难以到达 ； ⑧ 工作量大 、 费用高 。
⑤不依赖外部激励 源的损伤检测研究 ，对 于精密机械 、 宇
航结构可 以使用压电传感器 为作 动器 ， 而土木工程结构 由于其
法、 射线诊断法 、 光学诊断法 、 涡流 、 磁粉诊断法 、 泄漏诊断法 、 红外诊 断法
１ 桥梁 结构损伤识别方法 的研究现状
截止到 目前 ， 桥梁长期检查 主要还是定期人工检测 。定期
人 工 检 测 的局 限性 比较 多 ：
②结构损伤机理的研究 ； ③传感器优化布设方法 ；
验结 果 ， 而 当前 大部分结构不具备这 两类信息 ， 发展 不依赖早 期资料 的损伤识别方法 是损 伤检测方 法走 向成 功的关键 ， 要发 展出适合所有结构的损 伤检测方法 可能有 困难 ， 找到能够针对
某一类结构 ， 减少对早期资料的依赖 方法就是很大 的改善 ； ⑦在线损伤识别方 法的研究 ；
周 云 （ 中 铁四 局 集团 有 限 公 司， 安 徽 合 肥 ２ ３ ０ ０ ７ １ ）
摘 要 ： 根据 国内外最新 文献 的分析研 究， 对近年来桥 梁结构早 期损
伤识 别技 术的方法的研究现状进行 了综述 ， 并对各种桥 梁结构早 期损 伤识 别的方法进行 了评述 ； 讨论 了各种方 法在理论上和 实际应 用 中存
桥梁损伤识别的动态方法研究
桥梁损伤识别的动态方法研究摘要：桥梁损伤不仅影响交通运输系统的正常运转，而且也危及人们的人身财产安全。
所以，对于桥梁损伤修复工作不能盲目进行，在桥梁出现损伤情况时，建设人员首先应该采用科学的方法对损伤位置、损伤程度进行识别，之后找出导致桥梁出现损伤的原因，这样才能保证桥梁修复的正确性。
并且在修复的过程中，建设人员应该依据该桥梁实践的实际情况，保证修复方法的科学性。
桥梁损伤识别方法的科学性直接决定了桥梁修复工作的正确性。
因此，桥梁损伤识别方法是桥梁修复工作中的重点内容。
关键词：桥梁；损伤识别；研究方法1导言桥梁作为交通运输系统中不可缺少的一部分，在相关部门得到了特别的重视。
要使交通运输系统得以正常运行，作为其纽带的桥梁必须维持在一个健康稳定的状态。
但是现如今大多数桥梁由于人为设计、施工、管理方面的不到位以及自然环境恶化和地震等的影响下出现了桥梁损害、老化以及断裂现象。
就此本文对桥梁结构损伤识别的方法进行深入的探讨与剖析。
2导致桥梁出现损伤的原因在运营中一是外力原因，外力作用可以导致桥梁出现结构损伤。
二是自然灾害。
例如：暴风、洪水等，在巨大作用力下，这些自然天气很容易对桥梁造成结构损伤。
三是车辆超载。
虽然国内对于交通管制非常严格，但是仍有不法分子为了利益，对运输车辆私自改制，增加车辆的运输量，这增加了桥梁的负重，长期以往给桥梁损伤带来很大的隐患。
另外施工、设计阶段，方案不科学也是导致桥梁出现损伤的重要原因之一。
施工方案的不科学主要体现在以下几点：其一，桥梁结构设计不科学。
在桥梁设计的过程中，很多设计人员为了节省工作成本，很多桥梁的设计方案都是照搬、照抄，并没有对当地天气、地理地貌以及人流量进行细致分析，桥梁建设与当地的实际需求情况并不匹配；其二，施工方案执行力较低。
在建设的过程中，为了尽早完工，施工单位会改变施工方案，缩短施工线路。
改变施工方案是“牵一发而动全身” 的行为，它会带来很多连锁反应，很容易给桥梁造成结构损伤。
基于动力测试的桥梁损伤识别研究
然而，现有研究仍存在一定的局限性。例如，对于不同类型和程度的损伤，需 要建立不同的机器学习模型进行识别，应用范围有限。此外，在数据采集和特 征提取阶段，仍面临环境噪声干扰和设备精度不足等问题。
五、问题与挑战
当前基于动力测试的桥梁损伤识别技术面临以下问题和挑战：
1、数据采集质量是损伤识别的关键，但现有监测设备和方法在实时监测、抗 干扰和精度方面仍有待提高。
背景目前，桥梁结构损伤识别与评定的研究已经取得了很多成果，但仍然存在 以下问题： 1）损伤识别方法的准确性和可靠性有待进一步提高； 2）损伤识 别方法的自动化程度较低，需要人工干预； 3）损伤评定标准不统一，难以进 行对比和分析。
本次演示旨在解决上述问题，提出一种基于静力测试数据的桥梁结构损伤识别 与评定方法，提高损伤识别的准确性和可靠性，降低损伤识别过程中的人工干 预程度，并建立统一的损伤评定标准。
在综合评估理论方面，目前主要涉及方法的选择、数据的融合分析、评估指标 的构建等问题。首先，需要针对不同的损伤类型和程度，选择合适的评估方法。 例如，采用神经网络、支持向量机等机器学习方法对桥梁结构损伤进行分类和 定量评估。其次，针对不同来源、不同时间段的测试数据，需要进行融合分析， 提高评估结果的准确性和可靠性。
二、研究现状
基于动力测试的桥梁损伤识别技术自20世纪90年代以来逐渐得到应用和发展。 早期的研究主要集中在利用振型或频响函数等传统结构力学方法进行损伤识别。 随着计算机技术和数值模拟方法的进步，现代机器学习算法在桥梁损伤识别中 的应用逐渐增多。这些算法通过训练大量样本数据，实现对损伤的自动识别和 分类。
引言桥梁结构损伤识别与评定是桥梁工程领域的重要研究方向之一。随着桥梁 使用年限的增长，结构损伤的发生率会增加，因此需要进行有效的损伤识别和 评定。静力测试数据作为桥梁结构损伤识别与评定的主要依据，可以为结构损 伤的准确识别和深度分析提供有力支持。本次演示将重点探讨基于静力测试数 据的桥梁结构损伤识别与评定理论，以期为桥梁损伤识别与维护提供新的思路 和方法。
桥梁结构损伤识别研究现状与展望
桥梁结构损伤识别研究现状与展望桥梁结构损伤识别是指通过对桥梁结构的监测和数据分析，发现并评估结构损伤的程度和位置。
损伤识别技术的不断发展，对于保障桥梁安全运行和维护桥梁结构具有重要意义。
本文将介绍桥梁结构损伤识别的研究现状，并展望未来的研究方向。
桥梁结构损伤识别的方法主要分为基于模型的方法和基于信号处理的方法。
基于模型的方法通过建立桥梁结构模型，将实际监测数据与模型数据进行比较，以发现结构损伤。
基于信号处理的方法则通过分析桥梁结构的振动响应信号，利用信号处理技术识别出结构损伤的位置和程度。
目前，基于模型的方法主要包括有限元方法和神经网络方法。
有限元方法通过将桥梁结构离散化为有限个单元，利用力学原理进行结构损伤识别。
神经网络方法则通过训练神经网络以学习桥梁结构的损伤模式，从而进行损伤识别。
基于信号处理的方法主要包括频域分析和时域分析，其中频域分析通过分析结构的振动频率响应来识别损伤，时域分析则通过分析结构的振动时间历程来进行损伤识别。
目前，这些方法在桥梁结构损伤识别中都得到了广泛的应用，但也存在一些问题。
有限元方法和神经网络方法的计算量大，对计算机性能要求高，频域分析和时域分析则对信号的采集和噪声处理要求较高。
因此，针对不同的情况需要选择合适的损伤识别方法。
随着科技的不断发展，桥梁结构损伤识别也将迎来更多的发展机遇。
随着传感器技术和数据采集技术的发展，将会有更加准确和实时的损伤识别方法。
同时，随着计算机性能的提高和人工智能技术的发展，将会有更加高效和准确的损伤识别算法。
基于深度学习等技术，可以建立更加精细和复杂的桥梁结构损伤模型，提高损伤识别的准确性和鲁棒性。
另外，可以通过多学科交叉，将生物学、化学等其他领域的技术与损伤识别相结合，开拓新的研究方向。
例如，生物学中的细胞损伤识别方法可以应用于桥梁结构的损伤识别中，化学中的物质损伤识别方法也可以与桥梁结构损伤识别相结合。
在应用方面，未来桥梁结构损伤识别技术将更加注重实际应用。
桥梁结构损伤识别技术的研究进展
博士 ・ 家论 坛 专
赫 梁结 构 损伤 识别 技 术 硇 研 穷进 展
重 庆 交通 大学 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ张奔牛 毛成 林
［ 摘 要 ］ 梁 结 构 的安 全 与 健 康状 况 关 系着 国家 财 产 和人 民 生命 的 安 全 ， 而桥 梁垮 塌 事 件 屡 屡发 生 ， 渐 引起 了社 会 和人 民 的 高 桥 然 逐 度重视和广泛关注。 大部分桥梁结构垮塌事故源于对结构损伤地 忽视 ， 或者是缺 乏有效 的识别方法。 因此， 梁结构损伤识别方法的 桥 研 究对 确 保桥 梁 结构 安 全 与 健 康有 极 其 重 要 的 作 用 和 意 义 。本 文 主 要研 究桥 梁 结构 损 伤 识 别 方 法 的发 展 应 用情 况 。 ［ 键 词 】 梁 结构 损 伤 识 别 关 桥
观的检测手段 ， 避免观测人员 知识背景 和专业技 术经验等 的影响 ， 但是 该套 系 统 基 本 原理 是 图像 处 理 技 术 ， 以及 需 要 技 术 人 员 操 作 、 系统 比较 庞大 等 特 点 只 适用 于 现场 检 测 ， 不 能 实 现 长期 、 程 、 并 远 自动 监 测 。
的作用 、 桥梁结构勘测设计 、 施 过程等密切相关。 现 有 的 桥 梁 挠 度 检 测 和 监测 技 术 ［１： １６ １］ － （ ） 站 仪 １全 全站仪是 由电子测角 、 电子测距 、 电子计算和数据存储 单元 等组成 的三维 坐标 测量系统 ， 可实现测量结果 自动显示 、 记录和存 储 ， 并能与 外 同设备交换测量信息和控 制信息 ， 是其存 在操作过 程较 为复杂 ， 但 受 工作环境因素影响大 ， 结果计算相对复杂等不足。 （） ２ 倾角仪 倾角仪是利用电容伺服式倾 角仪 与数 字积分 器联结 ，测量 出桥梁 的挠度曲线。该方法使厢烦琐 ， 对测量人员 的素质要求 高， 倾角仪之间 的相位差 、 瞬态反应 时间和零点漂移等不足， 使测量精度难以把握 。 （ ） 分 表测 量 法 ３百 百分表测 量法是 利用齿条 一齿 轮传动机 构将线 位移转变 为角位 移， 通过放 大后 ， 将检测 的直线往 返运动转换成指针 的回转转 动 ， 以指 示其位 移数值 。该种方法是 比较传 统的挠度 测量方 法 ，其分辨 率为 ００ ｒ 量程为 ５ ５ ｍ ．１ ｍ， ａ － ２ ｍ。存在费时费力， 工作效率低下 ， 应用范 围较小 等不足。
损伤识别
桥梁结构损伤识别研究综述摘要：首先阐述了桥梁结构损伤识别在桥梁结构中的重要性，介绍了国内外桥梁结构损伤识别研究现状，在此基础上，又介绍了用于桥梁结构的各种损伤识别方法和存在的问题，最后提出了桥梁结构损伤识别的发展方向。
关键词：损伤识别，桥梁结构，神经网络，曲率模态引言桥梁结构在长期使用过程中会发生各种损伤，导致桥梁结构的承载能力的降低，甚至会导致桥梁的倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。
为了保证桥梁的安全性，需要及时的发现桥梁结构存在的损伤情况。
目前，桥梁结构损伤识别已经成为国内外研究的热点。
1 国内外桥梁结构损伤识别研究现状损伤识别最早用在航天及机械领域并得到了广泛的研究，在健康监测引起普遍关注的同时被应用在桥梁领域。
鉴于桥梁所处环境的复杂性及结构特性的随机性，桥梁的损伤识别目前还没有一个统一的标准或准则参考，实际的应用也较少，但还是取得了一些成就。
自70年代以来，随着振动测试和分析技术的发展，国际上广泛开展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤识别和监测的研究。
近年来，国外学者在利用振动模态分析理论进行结构损伤识别方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的识别方法。
早期，主要是以Vandiver和Begg[9]等的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测桥梁结构的损伤。
Spyrakos[5]进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试了模型梁在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态特性有确定的相关性，但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。
Aktan等则从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度作为损伤指针的可靠性。
除了这些较为零星的工作以外，美国通过I-40桥梁项目和Alamosa峡谷项目，对桥粱健康诊断中的结构损伤识别方法进行了系统的研究，试验结果表明振型关于结构损伤识别伤较为敏感。
Stubbs等[8]也对I-40桥进行了损伤识别的研究，利用振型曲率计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥梁的损伤。
桥梁损伤检测与诊断方法研究
桥梁损伤检测与诊断方法研究随着社会的不断发展，桥梁建设在城市化的过程中起着重要的作用。
然而，在桥梁使用过程中，由于各种原因，桥梁也会出现各种损伤，如裂缝、缺损等，这些损伤可能对桥梁的安全性产生很大影响。
因此，桥梁损伤检测与诊断方法的研究对于确保桥梁的安全性非常重要。
目前，针对桥梁损伤检测与诊断方法的研究已经取得了不少的进展。
接下来就分别从桥梁损伤检测方法、桥梁损伤诊断方法以及未来的研究方向来讨论桥梁损伤检测与诊断方法的研究。
一、桥梁损伤检测方法桥梁损伤检测方法是利用各种技术手段对桥梁进行检测。
目前，有很多种桥梁损伤检测方法，如视觉检测法、声波检测法、电磁检测法、红外检测法等。
这些方法都有各自的优缺点。
视觉检测法是利用视觉技术对桥梁进行检测，包括目视检测和摄像机检测等。
这种方法可以检测桥梁的外观形态和细节，能够便捷地发现桥梁的表面损伤，如裂缝、腐蚀、锈蚀等，但对于深部裂缝等难以检测。
声波检测法是利用声波对桥梁进行检测。
这种方法可以检测深部裂缝，但是不能检测结构内部的损伤。
电磁检测法是利用电磁波对桥梁进行检测，可以检测结构内部的损伤，但是对于裂缝等细微损伤难以检测。
红外检测法是利用热像仪对桥梁进行检测，可以检测桥梁的温度分布情况，但是对于深部损伤难以检测。
因此，不同的检测方法需要交替使用，从而更全面地了解桥梁的状况。
二、桥梁损伤诊断方法桥梁损伤诊断方法是指根据损伤情况来确定桥梁的结构是否受损或需要进行维修。
目前，常用的桥梁损伤诊断方法主要有静载试验、动载试验和计算方法等。
静载试验指的是在无风无震的情况下用重物对桥梁进行测试，观察桥梁变形情况，以确定桥梁的承载力。
动载试验是在真实的交通条件下对桥梁进行测试，观察桥梁受力情况。
计算方法则是利用数学模型对桥梁进行计算，从而得出桥梁受力情况和结构安全性。
计算方法的优点是成本低、时间短，但是由于建模和参数估计等方面的不确定性，可能会导致诊断结果偏差较大。
三、未来的研究方向桥梁损伤检测与诊断的研究是一个不断发展的领域，在未来的研究中还可以从以下几个方面来提高桥梁检测与诊断的准确性。
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模态参数 , 频率和振型等 . 的改变， 结构的模态参数的改变可视 为结构损伤发生的标志。利用损伤发生前后结构动态特性的 变化来诊断结构损伤的方法， 从理论上来讲， 其优点是可将振 动的外界因素作为激励源，损伤检测的过程不影响结构的正 常使用， 能方便地完成结构损伤的检测和识别。 除了整体检测 的优点外， 对大型桥梁等大型土木工程结构， 可以利用环境激 励引起的结构振动来对结构进行检测， 从而实现实时监测， 这 是很吸引人的。
;<:=>?@?A7>?B= ）就受到了人们极大的关注。任何结构都可以看
作是由刚度、 质量、 阻尼矩阵组成的力学系统， 结构一旦出现 损伤， 结构参数也随之发生改变， 从而导致系统的频响函数和
（ #$%&$$& ） !基 金 项 目"北 京 市 自 然 科 学 基 金 资 助 重 点 项 目 （ &()*’% ）男 ， 山东济宁人， 讲师， 从事结构损 ! 作 者 简 介 "’’李 大 军 伤 检 测 方 面 的 研 究+
二、 基于振动的损伤识别方法
基于振动的损伤识别方法按照所利用的特征 量 是 否 使 用 结构模型， 可分为以下两类： （ & ）无 模 型 识 别 方 法 （ CD::3EB<:F ）， 该方法不使用与结 构模型有关的特征量， 从振动的时程、 频谱或时频分析推导而 来。 （ - ）有模型识别方法 （ EB<:F3G7H:< ）。 该方法使用与结构 模型有关的特征量， 包括固有频率、 模态振型、 曲率模态、 动柔 度或动刚度以及 C6’E （ 有限元模型）信息等。
&+ 无模型识别方法
无模型识别方法是通过分析比较直接从振动 响 应 的 时 程 或者相应的傅立叶谱或其他变换 （ 如 小 波 变 换 ）得 到 的 特 征 量， 从而识别损伤的方法。该方法可分为时域方法、 频域方法 以及时频分析方法。常用的时域方法有自回归滑动平均模型 （ 2IE2 ）、 扩展的卡尔曼滤波算法等一系列方法。常用 的 频 域分析方法有傅立叶谱分析、 多谱分析 （ 信号高次矩的傅立 叶 变 化 ）、 倒谱分析 （ 变换的变换， 特别以傅立叶谱幅值平方 的对数的傅立叶 逆 变 换 应 用 最 广 ）等 。 时 频 分 析 方 法 有 小 波 变换， 小波变换可以聚焦到信号的任意细节进行时频域处理， 因此非常适用于非平稳信号震动波形提取，该方法更为有效
" 位移模态的变化
虽然位移模态的测试精度低于固有频率 . 但 包 含 更 多 的 损 伤信息。利用位移模态的变化识别结构早期损伤的常用方法 有 %0 模态置信度判据法：模态置信度判据法是利用模态 置 信 判据进行损伤识别 ( 如 )*+ 、 当损伤未发 +-)*+,. 其原理是， 生时 . 模态置 信 度 判 据 为 $ ， 可 一 旦 破 坏 发 生.由 于 位 移 模 态 的 变化 . 模态置信度判据不等于 $ 。 1 模态正交法： 利用模态的正 交条件进行损伤识别， 结构无损伤时 . 模态满足正交条件， 结构 有损伤时 . 则模态不满足正交条件。当然 . 该方法要用到模型矩 质 量 矩 阵 ,. 这 就 涉 及 到 测 量 模 态 的 扩 阶 或 模 阵 (如 刚 度 矩 阵 、 型的减缩问题。2 曲率模态法： 如果结构出现破损 . 则破损处的 刚度会降低 . 而 曲 率 便 会 增 大 ， 可以根据曲率模态的变化确定 损伤发生的位置。这种方法以曲率模态作为定位参数， 该方法 的不足之处是需要非常邻近的测点 . 以便利用中心差分法求取 曲率模态， 要 求 足 够 密 的 测 点 .或 者 要 求 精 度 非 常 好 的 插 值 扩 阶模态 . 否则将增大曲率模态的误差。 3 位移模态变化图形法 是以位移模态相对变化量做为定位参数 . 即损伤前后位移模态 的差值与损伤前位移模态的比值。当发生破损时 . 受到影响的 自由度上的位移模态相对变化量在损伤区域内就会出现比较 大的值。 所以 . 利用位移模态相对变化图可以识别损伤的位置。 实际上 . 目前基于位移模态变化的损伤识别技术在应用中面临 着测量模态不完整 ( 不仅 测 量 的 模 态 个 数 少 于 分 析 模 型 的 个 数.而 且 测 量 的 自 由 度 个 数 也 少 于 分 析 模 型 的 自 由 度 数, 和 噪 声 的 影 响 问 题.当 缺 少 受 破 损 影 响 较 大 的 测 量 模 态 时 .该 态保证准则 (+-)*+, 等。按照此类方法 . 首先
必须建立与动力指纹相应的结构健康时和一系列先验预估的 损伤对应的数据库 . 然后将发生损伤时的动力指纹与其比较 . 进而识别损伤。这类方法的缺点为敏感性不是很高 . 与所有潜 在损伤情况相对应的数据库较难建立。有很多学者在此方面 作了大量的工作。 第二类方法为模型修正法 . 基本思想为通过动态试验测得 的数据 . 如模态参数或者加速度时程数据来对原模型进行修正 细 化 .如 果 结 构 发 生 损 伤 .结 构 的 未 损 模 型 已 经 不 适 合 新 的 测 量结果 . 修正模型的过程中发现不准确的部分也就意味着发现 损伤。 该法也称为反向问题法， 是力学上的反演问题 . 由于测量 模态较少 . 方程数少 于 未 知 数 . 是 不 定 问 题 . 只 能 通 过 添 加 约 束 方程来求解。 （ " ）有模型识别方法按进行损伤识别所用到的信息分类
工程建设与设计
!""# 年第 $ 期
一 个 修 正 的 理 论 模 型.从 理 论 上 讲.发 生 破 损 以 后 的 任 意 二 阶 频率改变量之比仅是破损位置的函数 . 而与破损大小无关。其 损伤识别的步骤为 % 第 一 . 根 据 理 论 模 型 . 先 假 设 结 构 可 能 有 一 组损伤位置的方案 . 并计算每个理论方案所对应的任意二个频 率 改 变 量 之 比 /第 二.计 算 实 验 测 量 的 任 意 二 个 频 率 改 变 量 之 比 / 第三 . 将上述理论 比 值 与 实 验 比 值 进 行 比 较 . 找 出 与 实 测 最 为接近的理论值 . 则该值对应的损伤方案即为实际结构的损伤 状态。 利用固有频率的变化进行损伤识别的优点是 % 测试时 . 固 有频率容易获 得 且 测 试 的 精 度 比 较 高 ， 但 是.很 多 实 践 表 明 该 类技术在应用上有一些不足 %0 固有频率对结构早期损伤 有 时 并不十分敏感 . 往往只能发现破损 . 而无法确定破损的位置， 这 是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化； 1 虽然当 损伤的位置在结构的高应力区域时 . 利用固有频率的变化进行 损伤识别比较可靠 . 但是当损伤位置在结构的低应力区域时 . 利用固有频率的变化将无法进行损伤识别； 2 随着结构早期损 伤 量 的 减 少.固 有 频 率 的 变 化 是 从 低 阶 移 向 高 阶.而 高 阶 固 有 频率的变化是很难获得的。所以 . 利用固有频率的变化无法识 别结构的小损伤。
方 法 在 理 论 上 和 实 际 应 用 中 存 在 的 问 题 。 根 据 国 内 外 最 新 文 献/指 出 了 结 构 早 期 损 伤 识 别 技 术 发 展 的 方 向 和 趋 势 。
结构振动； 模态分析 !关 键 词"损 伤 识 别 ；
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一、 引言 ’’’’’’’’
随着使用年限的增加， 工程结构中不可避免的存在表面和内 部 缺 陷/工 程 结 构 中 的 梁 板 裂 缝 、 火灾后的混凝土损伤、 钢结 构的开焊及结构构件中存在的内部缺陷往往具有很大的危险 性。如何评价灾后受损和老化受损结构的残存承载能力和可 靠性，以便对结构能否继续使用和是否需要加固做出正确决 策， 是当今结构工程研究的重大课题。正确、 快速地识别结构 的损伤，对保证结构的安全、预防事故的发生都有着重要意 义。常用的工程结构损伤故障诊断方法有： 振动诊断法、 声发 射诊断法、 超声波诊断法、 射线诊断法、 光学诊断法、 涡流、 磁 粉诊断法、 泄漏诊断法、 红外诊断法等。 到目前为止， 桥梁的长期检查主要还是定期人工检测。 定 期人工检测的局限性比较多： ,&. 不能及时发现间隔期内的损 伤； 费用高。要 ,-. 结构的一些部位人难以到 达 ； ,%. 工 作 量 大 、 实现连续监测， 不破坏结构的性能和整体性是最基本的要求， 无损检测 （ 456 ）技术是结构健康监测系统的根本检测方法。 传统的 456 方法是可视化或者局部化的试验方法， 例如声波 或超声波方法、 磁场方法、 雷达成像、 涡流及温度场等方法， 所 有这些方法都要 求 事 先 知 道 损 伤 的 近 似 位 置 / 并 且 被 损 伤 的 结构可以接近， 由于这些限制， 上述的试验方法只能检测结构 表面或附近的损伤， 因此， 能够应用到复杂结构的定量的整体 检 测 方 法 —基 于 结 构 振 动 的 损 伤 识 别 方 法 ,57879:’
基于振动的桥梁损伤识别方法的现状和发展 的一个应用是小波信号消噪处理，从混有强噪声的污染信号 中提纯原始波形型号，为复杂的故障信号提取开辟了一片新 天地。由于小波分析非常适合分析非平稳信号 ! 因此可作为损 伤识别中信号处理的较理想的工具 ! 用它来构造损伤识别中所 需要的特征因子 ! 或直接提取对损伤有用的信息。小波分析是 在短时傅立叶谱分析基础上发展起来的 ! 短时傅立叶变换是利 用加权函数的形 式 来 表 达 一 个 瞬 时 的 性 质 ， 然 而!根 据 测 不 准 定理 ! 短时傅立叶变换的时间分辨率和频率分辨率是相互矛盾 的， 小波变换中 引 入 了 尺 度 参 数 ! 构 成 的 时 间 窗 和 频 率 窗 使 其 在频率域内低频时有好的分辨率 ! 而在高频时在时域内有好的 分辨率 ! 所以小波分析是系统时变分析的更合适工具。目前 ! 小 波分析在损伤识别中的应用主要是属于信号分析范畴 ! 由小波 变换得到的谱图中直接显示损伤的存在。 无模型识别方法中，用于损伤识别的物理量可以是全局 量， 如故有频率等， 但用于损伤直接定位的最好是局域量， 且 必须满足两个基本条件： 一是对局部损伤敏感； 二是为坐标的 单调函数。研究表明， 当用于损伤定位的物理量不是局域量、 或不满足上述两个基本条件时，在无模型的条件下进行损伤 直接定位很难保证预测结果与实际结果的一致性。