梁桥的动力损伤诊断技术分析

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1、2第一章绪论1．2．1基于模态域数据的方法这类方法首先由测试的振动响应数据识别结构的模态参数，然后再通过灵敏度分析、模式识别、比较结构损伤前后的模态参数、神经网络或模型修正等方法来识别、定位和定量损伤。文献[6]对1996年以前发展的基于模态域数据的损伤识别方法及应用情况进行了详细的总结和评述。根据所采用的模态信息不同，这类方法又可进一步分下面几类。①基于固有频率的方法固有频率是动力参数中最容易测得的一个参数，测试精度也很高，是使用比较早的一种方法，运用也比较广泛。有很多文献对基于固有频率变化进行损伤识别的方法进行了很好的总结口1。1)以频率

2、变化比为识别参数P．Cawley证明了两阶频率的变化比(勋，／勋，)只与损伤位置有关，与损伤程度无关。该方法主要利用此因子值与损伤位置的对应关系来定位损伤。从理论上讲，发生损伤以后的任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数，而与损伤大小无关。这就是比较常见的结构损伤定位方法。2)以频率变化的平方比为识别参数频率变化的平方是损伤位置和程度的函数，但是频率变化的平方比(勋；2／勋，2)仅是损伤位置的函数：当只有一个损伤单元或某些损伤单元的损伤程度相似时，频率变化的平方比仅为损伤位置的函数。3)以相对频率变化比为识别参数以相对频率变化比(M／^)，

3、(颤／Z)为参数。Y．Narkis在1992年，用一简支梁推得此量只与损伤位置有关，而与损伤的尺寸、形状及梁的性质无关。众多的研究者发现，测试时，固有频率容易获得，测试的精度比较高，频率的特征值的随机误差比其他模态参数小得多。但是，很多实践表明该类技术在应用上有一些不足，根据频率变化进行损伤识别有很大的局限性，固有频率对结构早期损伤有时并不十分敏感，往往只能判断结构损伤是否出现，而对结构损伤的位置不很敏感，即仅用频率测量数据往往只能用来发现损伤而无法准确进行定位，不足以对损伤检测提供足够的信息∞1。这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的=—2

4、哆一q塑蛔一第一章绪论频率变化，频率是能量的比值，而能量是一个积分量，结构的局部改变湮没在能量积分中，使得不同形式的结构损伤可能产生相似的频率变化特性，因而频率对刚度的局部变化不太敏感。例如，对称结构中，在两个对称位置上的结构损伤将产生同一种频率变化，不同形式的结构损伤可能产生相似的频率变化特征。魏培君等∞1指出能使固有频率变化5％以上的损伤一般是可以被识别的，然而，5％以上的频率变化并不总是意味着存在损伤，当损伤发生在低应力区域时，用频率识别的方法并不可靠。此外，频率的变化只能说明结构中有无损伤，但损伤的位置及其严重程度则无法确定。②基于振

5、型的方法结构损伤引起振型的变化，并且振型中包含位置信息，所以基于振型的方法不但可以识别损伤而且可以定位损伤。由试验测得的结构损伤前后的振型的相关水平可以识别和定位损伤(如MAC准则和COMAC准则)。除了振型，振型的斜率和曲率也可以用来定位损伤。这是由于振型的斜率和曲率都是由振型的差分运算得到的，因此振型上由损伤引起的微小扰动将被放大，从而引起振型的导出量——振型的斜率和曲率的显著变化，因此振型、振型的斜率和振型的曲率对损伤的敏感性依次增强。Yuen通过对一悬臂梁的有限元分析，证实了振型的变化和振型斜率的变化都可以定位损伤。Abdo和Hori

6、通过对边界简支的一维结构的数值仿真，发现振型的转角(振型的一阶导数或斜率)的变化对损伤位置非常敏感，而且使用的模态振型的阶数越高，定位损伤的效果越好。当然，这种方法的实际应用还有待于转角模态测试技术的发展。Pandey和Biswas等利用结构损伤前后曲率模态振型的变化来定位损伤。虽然曲率模态振型对结构的局部损伤比较敏感，而且物理概念清晰，但是利用该方法进行损伤定位时，需要布置较多的传感器，才能使由中心差分法得到的曲率模态振型精度较高。此外，尽管振型的差分增加了对损伤的敏感程度，但是也加大了对测试噪声和识别误差的敏感度，因此由振型的差分计算振型

7、斜率和曲率模态振型之前，要先对振型进行曲线拟合，以提高方法的抗噪能力。基于振型的灵敏度分析的方法既可以确定损伤位置又可以确定损伤程度。Parloo和Guillaume由振型对质量和刚度的灵敏度分析，建立了振型变化与结构参数变化的关系，由超定方程的最小二乘解来确定结构质量和刚度的变化。Masato也做了类似的研究。此外，Maeck和Roeck根据抗弯刚度与弯矩和曲率的关系(或抗扭刚度与扭矩和转角的关系)，提出了由测试的加速度响应计算的模态弯矩(或扭矩)与识别的曲率模态振型(或振型的斜率)直接相除来求得各个单元的抗弯刚度(或抗扭刚度)的方法。其中

8、，模态弯矩或扭矩则通过伪静力分析得到。4第一章绪论基于振型的方法的有效性取决于识别的振型的精度，而振型的精度与测试数据的质量和测点数有关。其中，测试数据的质量又与测