结构健康检测方法研究进展(1)
http://www.100md.com
2011年6月15日
【摘 要】 综述了结构损伤检测的方法，分别按照结构损伤模式、损伤检测中所研究的结构类型、损伤检测所使用的力学理论和数学方法将损伤检测法进行分类，对结构损伤检测的各种途径进行了简要介绍，对损伤检测中存在的一些问题提出了一些观点介绍了基于振动的结构健康监测与诊断的基本概念与理论，介绍了基于振动和神经网络方法的结构损伤检测的原理、策略及其在土木工程中的应用。
【关键词】 损伤检测；传统；振动；神经网络
Research progress on structural health monitoring
Bao Lixin
【Abstract】
The structural damage detection methods, respectively, according to structural damage mode, damage detection in the study of the structure type used to detect damage mechanics theory and mathematical methods to classify the damage detection method for structural damage detection of a variety of ways a brief description of the damage detection in the presence of some of the problems put forward some ideas introduced vibrationbased structural health monitoring and diagnosis of the basic concepts and theories introduced neural network based on vibration and structural damage detection principles, strategies and in civil engineering.
, 百拇医药
【Key words】 damage detection; traditions; vibration; neural network
工程结构已经建成并投入使用后，在环境的作用下，其材料的微观成分就会随时间的推移而发生演变，其结构导致材料强度、刚度等力学参数的降低，从而在结构上积累起裂缝、腐蚀、变形等损伤，引起结构的老化。
因此建筑结构功能的实现更主要取决于它在整个辅服役期间的表现，所以现在结构工程的发展从单纯的考虑正常使用过渡到了考虑设计、施工和维护的全过程，不仅继续提高设计、施工的合理性，更为实现的任务是研究结构性能的变化，特别是开展结构损伤检测的研究。建筑结构一旦出现了损伤，往往需要对结构所处的状态进行判断和评估，以便对结构的损伤成因和程度与一个全面的认识，这一个过程就是结构损伤的检测。通过结构损伤检测，可以帮助设计人员作出结构物安全与否的评价，提出对建筑结构维护加固的方案，从而避免重大事故的发生，保护国家财产和人民生命、财产的安全。注重设计、施工、健康检测和长期维护的设计全过程属于一种设计终生负责的理念，正受到广泛的重视。工程结构损伤检测正迅速成为结构工程学科的一门分支学科。
, 百拇医药
1.传统的结构损伤检测方法[13]
传统的结构损伤检测方法简介，以及它们各自的检测特点、适用的损伤类型和结构类型见表1.1中所示。
表1.1 结构损伤检测方法
续上表
根据以上介绍可以看出，传统的无损伤检测方法都往往需要对结构损伤发生的部位有先验的认识，并要求这些部位容易检测，不可避免地存在着仅适合于对结构损伤进行局部检测的局限性。从而带来的缺点是，难以预测预报结构整体性能的退化，无法实现实时的结构健康监测和损伤检测。
所以，近年来人们一直试图寻找能够适用于土木工程结构的整体损伤检测与评估方法。
, 百拇医药
2.基于振动的结构损伤检测技术
结构的动力特性是结构的固有特性，它表征了结构的“全局”特性。对于工程结构，结构的动力响应是容易实现和量测的。结构动力检测方法可不受结构规模和隐蔽的限制，只要在可达到的结构位置安装动力响应传感器即可。日前高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术己为结构动力检测方法提供了坚实有效的技术支持。所以，如何利用结构的振动特性对结构损伤进行全局的识别和检测成为近2030年以来研究人员关注的热点。
对于遭受不同程度破坏的结构，其自身的结构参数及其响应必然与结构健康时不同，因此可以运用这些变化来反推结构是否发生损伤，即可以将结构损伤检测看作是对结构本身参数及其响应的参数识别问题。很明显这是一个反问题，一般来说。根据实测数据的类型，基于振动的结构损伤识别技术可以分为三大类[1]：第一类是基于振动时程数据的损伤识别技术；第二类是基于实测频率反应函数的损伤识别技术；第三类是使用模态参数的损伤识别技术.根据对结构检测的整体性，可以分为整体检测方法和局部检测方法[2]，从结构的参数识别角度来分，它可以分为结构参数识别技术、模态参数识别技术和非物理模型法[3]。
, 百拇医药
2.1 结构参数识别技术
结构参数识别技术是基于调整结构模型矩阵如质量、刚度、阻尼，使其产生与实测的静态、动态响应非常接近的数据。因此.在结构参数识别技术中最常用到结构模型，即有限元模型。有限元模型通过单元的应力应变关系来反映结构的连接性、特征，结构参数识别技术需要经常修正矩阵，它通过由结构的运动方程、健康状态下的名义模型及实测数据而形成的一个约束优化问题的求解来满足要求，通过比较修正矩阵与健康状态下的相应矩阵来提供结构损伤指标，判断损伤产生的位置及损伤程度。
结构参数识别技术经常用到一个通用的运动方程集，根据解这些方程不同算法的差异可以分为不同的修正方法。第一类方法是由Smith等人[4]提出的最优矩阵修正法，后来又提出了迭代优化修正方法[5]，Kim等人[6]则研究了各种各样的矩阵修正方法、模型降低法、振型扩张法，并探讨了损伤单元的数量、传感器数量、模态数量及噪声程度对损伤检测能力的影响，通过数值模拟和实验研究发现，传感器的数量是损伤检测最重要的参数，其次是实测模态数量.Liu等人[9]提出了一种优化修正技术，通过实测桁架的模态频率与振型来计算单元刚度与质量参数，该法是使模态力误差的范式最小，研究发现只要有足够的模态数据，单元特征可以通过实测模态频率、实测阵型及代表单元空间方向和桁架总体链接的两个矩阵直接计算出来，此外，Doebling提出通过计算单元参数矢量来表示总体或单元刚度矩阵的最小秩数修正法。[3]
, http://www.100md.com
第二类矩阵修正方法是基于一阶泰勒序列解，通过使矩阵扰动误差函数最小得到，因此该法又称基于灵敏度修正法[7]。其基本理论是确定一个修正的模态参数矢量(有材料或几何参数组成)，参数扰动矢量通过解求误差函数最小的NewtonRaphson迭代问题计算出来。各种基于灵敏度修正法的主要差别在于采用估计灵敏度矩阵的方法上，采用实验灵敏度法，正交关系可以通过计算模态参数的导数计算出来，理论灵敏度法常常要求估计刚度和质量矩阵的导数，它对含有噪声的数据和参数的较大扰动没有实验法灵敏。第三类矩阵修正法是特征结构布置法，Lim[8]对特征结构布置法的技术进行了综述。由于每种矩阵修正法都有自己的优劣，因此一些学者探讨并提出了混合矩阵修正法，Kim等人[9]提出了一个两步损伤是别的方法，用来检测具有较少装置的大型结构。该法的第一步是用最优矩阵修正技术来识别结构出现损伤的位置，第二步是一种灵敏度法，它定位在发生损伤的特定结构单元上。这种方法的优点在于其优化修正快速有效；修正参数数量很少。
, 百拇医药(包立新)
【关键词】 损伤检测；传统；振动；神经网络
Research progress on structural health monitoring
Bao Lixin
【Abstract】
The structural damage detection methods, respectively, according to structural damage mode, damage detection in the study of the structure type used to detect damage mechanics theory and mathematical methods to classify the damage detection method for structural damage detection of a variety of ways a brief description of the damage detection in the presence of some of the problems put forward some ideas introduced vibrationbased structural health monitoring and diagnosis of the basic concepts and theories introduced neural network based on vibration and structural damage detection principles, strategies and in civil engineering.
, 百拇医药
【Key words】 damage detection; traditions; vibration; neural network
工程结构已经建成并投入使用后，在环境的作用下，其材料的微观成分就会随时间的推移而发生演变，其结构导致材料强度、刚度等力学参数的降低，从而在结构上积累起裂缝、腐蚀、变形等损伤，引起结构的老化。
因此建筑结构功能的实现更主要取决于它在整个辅服役期间的表现，所以现在结构工程的发展从单纯的考虑正常使用过渡到了考虑设计、施工和维护的全过程，不仅继续提高设计、施工的合理性，更为实现的任务是研究结构性能的变化，特别是开展结构损伤检测的研究。建筑结构一旦出现了损伤，往往需要对结构所处的状态进行判断和评估，以便对结构的损伤成因和程度与一个全面的认识，这一个过程就是结构损伤的检测。通过结构损伤检测，可以帮助设计人员作出结构物安全与否的评价，提出对建筑结构维护加固的方案，从而避免重大事故的发生，保护国家财产和人民生命、财产的安全。注重设计、施工、健康检测和长期维护的设计全过程属于一种设计终生负责的理念，正受到广泛的重视。工程结构损伤检测正迅速成为结构工程学科的一门分支学科。
, 百拇医药
1.传统的结构损伤检测方法[13]
传统的结构损伤检测方法简介，以及它们各自的检测特点、适用的损伤类型和结构类型见表1.1中所示。
表1.1 结构损伤检测方法
续上表
根据以上介绍可以看出，传统的无损伤检测方法都往往需要对结构损伤发生的部位有先验的认识，并要求这些部位容易检测，不可避免地存在着仅适合于对结构损伤进行局部检测的局限性。从而带来的缺点是，难以预测预报结构整体性能的退化，无法实现实时的结构健康监测和损伤检测。
所以，近年来人们一直试图寻找能够适用于土木工程结构的整体损伤检测与评估方法。
, 百拇医药
2.基于振动的结构损伤检测技术
结构的动力特性是结构的固有特性，它表征了结构的“全局”特性。对于工程结构，结构的动力响应是容易实现和量测的。结构动力检测方法可不受结构规模和隐蔽的限制，只要在可达到的结构位置安装动力响应传感器即可。日前高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术己为结构动力检测方法提供了坚实有效的技术支持。所以，如何利用结构的振动特性对结构损伤进行全局的识别和检测成为近2030年以来研究人员关注的热点。
对于遭受不同程度破坏的结构，其自身的结构参数及其响应必然与结构健康时不同，因此可以运用这些变化来反推结构是否发生损伤，即可以将结构损伤检测看作是对结构本身参数及其响应的参数识别问题。很明显这是一个反问题，一般来说。根据实测数据的类型，基于振动的结构损伤识别技术可以分为三大类[1]：第一类是基于振动时程数据的损伤识别技术；第二类是基于实测频率反应函数的损伤识别技术；第三类是使用模态参数的损伤识别技术.根据对结构检测的整体性，可以分为整体检测方法和局部检测方法[2]，从结构的参数识别角度来分，它可以分为结构参数识别技术、模态参数识别技术和非物理模型法[3]。
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2.1 结构参数识别技术
结构参数识别技术是基于调整结构模型矩阵如质量、刚度、阻尼，使其产生与实测的静态、动态响应非常接近的数据。因此.在结构参数识别技术中最常用到结构模型，即有限元模型。有限元模型通过单元的应力应变关系来反映结构的连接性、特征，结构参数识别技术需要经常修正矩阵，它通过由结构的运动方程、健康状态下的名义模型及实测数据而形成的一个约束优化问题的求解来满足要求，通过比较修正矩阵与健康状态下的相应矩阵来提供结构损伤指标，判断损伤产生的位置及损伤程度。
结构参数识别技术经常用到一个通用的运动方程集，根据解这些方程不同算法的差异可以分为不同的修正方法。第一类方法是由Smith等人[4]提出的最优矩阵修正法，后来又提出了迭代优化修正方法[5]，Kim等人[6]则研究了各种各样的矩阵修正方法、模型降低法、振型扩张法，并探讨了损伤单元的数量、传感器数量、模态数量及噪声程度对损伤检测能力的影响，通过数值模拟和实验研究发现，传感器的数量是损伤检测最重要的参数，其次是实测模态数量.Liu等人[9]提出了一种优化修正技术，通过实测桁架的模态频率与振型来计算单元刚度与质量参数，该法是使模态力误差的范式最小，研究发现只要有足够的模态数据，单元特征可以通过实测模态频率、实测阵型及代表单元空间方向和桁架总体链接的两个矩阵直接计算出来，此外，Doebling提出通过计算单元参数矢量来表示总体或单元刚度矩阵的最小秩数修正法。[3]
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第二类矩阵修正方法是基于一阶泰勒序列解，通过使矩阵扰动误差函数最小得到，因此该法又称基于灵敏度修正法[7]。其基本理论是确定一个修正的模态参数矢量(有材料或几何参数组成)，参数扰动矢量通过解求误差函数最小的NewtonRaphson迭代问题计算出来。各种基于灵敏度修正法的主要差别在于采用估计灵敏度矩阵的方法上，采用实验灵敏度法，正交关系可以通过计算模态参数的导数计算出来，理论灵敏度法常常要求估计刚度和质量矩阵的导数，它对含有噪声的数据和参数的较大扰动没有实验法灵敏。第三类矩阵修正法是特征结构布置法，Lim[8]对特征结构布置法的技术进行了综述。由于每种矩阵修正法都有自己的优劣，因此一些学者探讨并提出了混合矩阵修正法，Kim等人[9]提出了一个两步损伤是别的方法，用来检测具有较少装置的大型结构。该法的第一步是用最优矩阵修正技术来识别结构出现损伤的位置，第二步是一种灵敏度法，它定位在发生损伤的特定结构单元上。这种方法的优点在于其优化修正快速有效；修正参数数量很少。
, 百拇医药(包立新)