基于曲率模态相关性的桥梁结构损伤识别研究

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1、第一章绪论能对桥梁损伤快速准确定位，也难以对损伤程度与桥梁的剩余寿命进行快速评估，且其工作面大，加载时间长，通常需要中断交通，经济。基于动态测量数据的结构损伤识别在结构健康监测中具备远程在线检测的潜在优点，在监测过程中不需中断正常的交通，尤其对于石油平台、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。因此以振动模态分析为核心的整体结构检测技术在过去近20多年里得以快速发展和广泛应用。由于动态测量信息量比静态测量信息量大，因此对基于结构动态测量数据的损伤识别方法的研究相对比较充分。但由于结

2、构损伤对不同的识别参数的灵敏度不同，因而对基于动态测量数据的结构损伤识别的研究近年来仍然十分活跃。常用的基于结构动态试验参数的损伤识别指标主要有：固有频率、位移模态振型、位移、加速度频响函数、曲率模态振型、应变模态振型和应变频响函数等。在损伤识别方法的研究方面，除了传统的灵敏度法以及优化算法，近年来还引入了小波分析、遗传算法、人工神经网络等方法，这些都为动力损伤识别的推广起到了积极盼作用。1．2．1基于固有频率变化的损伤识别技术固有频率是结构最基本的动态参数，由于固有频率是动态参数中最容易获得的一个参数，而且识别精度相对较高，因此基于

3、固有频率的变化进行损伤识别有很多方法。国内外基于频率变化的损伤识别方法做了大量的研究。在国外一些学者提出了一种基于频率的统计损伤识别算法，利用概率统计方法对悬臂钢梁及悬臂钢板进行了损伤识别。Cawley等人提出了一种根据频率的改变来检测复合材料损伤的方法，将不同阶的模态频率变化的比值，作为损伤指标。基于有限元模型，分析损伤指标值，并与i贝

4、I量数据计算的指标值进行比较，识别结构可能损伤的位置，但这种方法只考虑了单个损伤的识别。Juneja等人提出了一种对比最大化方法。该方法把各种损伤结构的响应数据库同实际结构响应对应起来，从而对损伤进

5、行定位。Farra等人的研究表明，频率变化对高速公路桥的损伤不灵敏，即使全桥截面刚度减少21％，模态频率亦无显著变化，须求助于高精密测量仪器。Stubbs等人进一步提出了一种基于频率变化灵敏度的损伤识别方法，计算每阶模态的每一个结构单元P的误差函数％，假定只有一个单元损伤，则使误差最小的单元就是损伤单元，该方法的缺点是计算量大且依赖准确的数值模型。Hearn等人提出一种利用多阶模态频率改变来识别结构刚度损伤的方法，先识别损伤位置再识别损伤大4堡兰奎兰堡兰兰竺笙苎小。通过动力特征方程将第i阶模态频率改变的平方与单元刚度矩阵的改变以及单元

6、刚度矩阵损伤指标联系起来，推导得到频率改变的平方是损伤指标和损伤位置的函数，其比值只与损伤位置有关。确定损伤位置后，计算损伤指标以确定损伤大小。在国内，谢峻等人通过改进迭代优化求解的优化方程，利用频率变化实现了钢筋混凝土三跨连续梁的损伤识别。张东利等利用频率变化比及频率变化的平方比两种固有频率特征量的谱线图对比识别混凝土构件的损伤位置。刘文峰等四从理论上推导了损伤导致某阶频率降低与损伤位置的关系，提出了损伤状态下通过不同阶模态频率改变率比值来进行损伤定位的新方法，并通过频率改变率对钢梁进行损伤定位。郭国会等基于摄动理论，推导出结构的频

7、率比是结构损伤位置的函数，利用梁损伤前后的频率比对一等截面简支梁的损伤进行了定位与定量分析。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。但根据频率变化进行损伤识别具有很大的局限性，这主要表现在：频率对损伤有较低的灵敏度，只有测量的数据非常精确并且损伤十分严重的情况下才能对损伤进行定位识别，通常由于测量的高阶频率的精度低，且所测的频率有限，而难于对损伤的位置进行准确判断；由于损伤是局部现象，反映结构整体特性的固有频率对结构早期损伤有时并不十分敏感，频率的变化只能说明结构中有无损伤，但损伤的位置及其

8、严重程度则无法确定；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；从上述的局限性可以看出，该方法不适合于大型复杂结构的损伤探测。1．2．2基于振型变化的损伤识别技术1984年West首先提出了基于振型变化信息进行结构损伤位置诊断。近年来，很多学者在振型的基础上提取出许多其他特征量，如：①模态置信因子(MAC)，MAC=—挈芷纽乓一9m19iHX9tA。9隰②模态比例因子(MSF)，MsF，：生‰h9I^l9tH③坐标模态置信因子(

9、COMAC)，第一章绪论c。MACj=姥斟式中cPix、％为损伤前后结构第f阶振型，当结构未发生损伤时，‰=纨以上3个参数的取值范围均为肚1，当其接近于0时，说明损伤前后的模态不相关，即结构中有损伤；当其接近于1时，说明