结构损伤检测与定位理论及应用.pdfVIP

第九届伞国现代结构工程学术研讨会 结构损伤检测与定位理论及应用 张文江殷志祥 辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新123000 提要：综述了各种损伤检测方法。按照基于力学理论分析的损伤检测方法、基于神经网络的损伤检测方法、基于遗传算法 的损伤检测方法和基于小波分析的损伤检测方法将损伤检测方法进行了分类，对结构损伤检测的各种途径进行了简 单介绍。此外，还叙述了各种损伤检测方法的研究现状及适用范围，并通过小波分析和神经网络的应用举例来验证 小波损伤检测方法的准确性和可靠性。同时，对损伤检测中存在的一些问题提出了一些自己的观点。最后，提出了 结构损伤检测方法的发展方向。 关键词：损伤检测，损伤识别，神经网络，小波分析 一、引言 结构由于初始缺陷等多种因素必然会引起结构刚度的损失，进而影响结构的整体强度。结构的缺陷和 损伤严重地降低了结构的安全性、适用性和耐久性，历史上曾发生过许多大跨度空间结构倒塌的事例，因 此，有必要对大跨度空间结构的关键受力构件进行长期或定期的健康监测，即对大跨度空间结构进行损伤 识别，及时发现隐患并进行处理，便可以防止结构倒塌事故的发生。所以，对结构进行损伤检测、实时监 测具有重要的实际意义。结构损伤检测从研究对象来看，研究的结构形式是由简单到复杂的一个过程：由简 支梁Ⅲ开始到平面框架结构心1，再到桁架结构和空间结构【31，如海洋石油井架【41等。从研究方法上来划分， 可以划分为基于力学理论的损伤检测方法、基于神经网络的损伤检测方法、基于遗传算法的损伤检测方法 和基于小波分析的损伤检测方法等。 结构健康监测是一门综合性技术，涉及到结构动力学、信息技术 如信号的传输、处理、存贮与管理 、 传感器技术、优化设计等多个学科。损伤检测则是进行结构健康监测的基础，长期以来都是一个非常活跃 的研究领域，因此损伤检测的方法在数量上飞速增长。本文将从基于力学理论的损伤检测方法、基于神经 网络的损伤检测方法、基于遗传算法的损伤检测方法和基于小波分析的损伤检测方法来简单介绍结构的损 伤检测方法，并将结构各种损伤检测方法进行了比较，最后提出了结构损伤检测中存在的一些问题及未来 发展方向。 二、结构损伤检测技术的研究现状 一 基于力学理论的损伤检测方法 1．基于静力学理论的损伤检测方法 基于静力学理论的损伤检测方法通常是对待检测的结构在事先选定的位置施加一定数量的静力荷载， 在结构上事先设计好的位置布设传感器并测量结构在此静力荷载下所发生的位移或应变。据此建立由测量 位移或应变与计算位移或应变所构成的误差函数，这样的误差函数是待识别参数的多元函数，通过求误差 函数极小值的方法来识别结构单元刚度参数，进而确定结构的损伤情况。 静力识别的条件相对要求较高，如在测量结构的静力位移时需要搭设支架来固定位移计，支架的基础 与被检测结构的基础要相互独立。因而静力识别一直不太受人重视，然而结构的静力识别却具有较高的精 度及稳定性。Hajela等对静力识别的应用前景均抱乐观态度，并在算法的实现及应用上作了大量的工作怕1。 工业建筑2009增刊 第九届全国现代结构工程学术研讨会 事实上，随着近年来测试技术的进步，静力识别的许多不足已逐渐得到改善哺’，如使用非接触式位移计， 可以避免在位移测量中搭设支架。 2．基于动力特性的结构损伤识别方法 基于动力特性的结构损伤识别方法的研究始于上个世纪70年代。近三十年来，人们为了解决结构早 期损伤识别问题，进行了大量的研究工作，出现了很多种方法。这些方法一般是选取能够体现结构损伤出 现的量 这里称之为结构的损伤标示量 作为观测量，通过观测这些量的变化来判断结构损伤的出现和位 置，损伤标示量的选取有全局量 如结构的固有频率 和局域量 如位移 。这些结构损伤识别方法各有特点， 如果从损伤识别方法选用的损伤标示量来分类，有下列不同类型的损伤识别方法。 1 基于固有频率变化的损伤识别方法 结构的固有频率是表示结构固有特性的整体量，当结构的局部出现损伤时，结构的固有频率将发生变 化，随着刚度的降低，结构的固有频率将会增大。正是由于这一特性加上结构固有频率易于测量和测量误