基于动力的结构损伤识别方法研究综述摘要：结构损伤识别问题是桥梁健康监测的基础和重要组成部分，其对于桥梁结构的安全性和可靠性具有重要的影响，在众多的结构损伤识别方法中，基于动力的结构损伤识别方法凭借其一系列独特的优点成为当前国内外研究和发展的热点。
该研究能适合工程实际应用，并且损伤识别结果可靠准确，该方法具有十分重要的现实意义。
本文介绍了国内外近年来较为成熟的结构损伤动力特性识别方法。
关键词：损伤识别；健康检测；动力特性Research on Structural Damage Identification Based on DynamicAbstract：Structural damage identification is the basis and important part of bridge health monitoring, and it has an important influence on security and reliability of the bridge.Among the numerous methods of structural damage identification,the structural damage identification method based on dynamic with its unique advantage is becoming a hot spot of current research and development at home and abroad.This study can be suitable for engineering application,and the damage identification result is reliable and accurate,the method has very important practical significance.Some mature methods of structural damage identification based on the dynamic characteristics at home and abroad in recent years were introduced in this paper.Key words：Damage identification;Health detection;The dynamic characteristics0 引言结构损伤识别不仅仅是单纯意义上的对损伤的诊断和修复，它更积极的意义在于使人们重新认识结构的特征，并指导设计人员对以后的类似结构进行修改和重新设计。
在工程上，大部分结构损伤的产生都是由于长期外界因素的作用而累积形成的疲劳失效。
损伤的位置可能是受影响最剧烈的位置，可能是自身的材料缺陷导致，也可能是结构设计中最薄弱的环节，这些因素往往是结构设计中没有考虑到的。
从这个角度上来看，损伤识别的结果可被用于探寻结构中较刚度和强度薄弱的区域，对结构的后续设计具有重大的指导意义。
此外，我国正处于社会建设的全面发展时期，大批原有的工程结构需要进行损伤评估。
对于轻微损伤的结构，进行及时的补救，使之满足生产生活的需要；对于严重损伤的结构，进行二次再利用，发挥其仍有的价值。
这与现如今提出的绿色、节能、低碳的可持续发展战略也是相适应的。
因此，损伤识别不仅是一门重要的实验科学，同时对现今社会的发展也具有重大的实际意义。
完整意义上的结构损伤识别包含以下四个任务：(1)判断结构是否存在损伤。
通常需要对结构进行长期的监测，或者事先获得该结构健康状态下的损伤评判指标；(2)损伤的定位。
在确定结构发生损伤后，采用损伤定位指标来确定损伤发生的具体位置；(3)损伤的程度分析。
该问题可以分为相对损伤程度和绝对损伤程度识别。
相对损伤程度可以通过不同时期对损伤结构进行检测，并对多次检测的评判指标进行比较得到。
绝对损伤程度识别，即损伤的定量分析，则需要该结构健康状态下的损伤评判指标；(4)评估结构损伤后的剩余服役寿命。
1 桥梁结构损伤动力检测技术的研究现状基于动力测试的桥梁损伤检测方法属于整体损伤检测技术，它可以获得结构的全面信息，尤其结构的隐蔽部位，而且检测结果的准确程度较少的依赖于检测者的工程经验和主观判断，可以对结构的安全储备及退化的途径做出系统的评估。
基于动力测试的桥梁损伤检测方法分三个层次：第一，判断结构有无损伤；第二，确定结构的损伤位置；第三，标定结构的损伤程度。
基于动力测试的桥梁损伤检测方法是近二十年来国内外研究比较活跃的损伤识别方法，是基于结构物的刚度、质量以及材料物理参数的对应关系上。
基于结构动力特性的损伤识别方法大致可以分为两类：(1)无模型的损伤识别方法，它们不使用结构模型，属于这类方法的有，基于FRF的波形损伤识别指标方法，包括Waveform Chain Code(WCC，其中又包括量测FRF的斜率差和曲率差)，Aptive Emplate Ethods(ATM)和Signautre Assurance Cretiria(SAC)。
此外还有人工神经元网络、ARMA模型、模型识别等。
(2)有模型的损伤识别方法，它们使用结构的有限元模型进行损伤识别。
这类方法又可分为两种：基于模态参数的损伤识别方法和直接的系统损伤识别方法。
基于模态参数的损伤识别方法可分为两步，首先通过振动测试进行模态参数(自振频率、振型、应变模态等)识别，然后通过模态参数识别损伤。
第二步工作又有两种方法，一是通过损伤识别指标来进行损伤识别，由于模态参数对损伤不敏感，于是人们试图对模态参数进行加工，以提高其对损伤的灵敏度，定义了损伤识别指标后，可把它当作结构动力指纹，通过比较完好状态的结构动力指纹和受损状态的结构动力指纹来对结构进行损伤识别。
常用结构的动力指纹有曲率模态差、柔度矩阵差和应变模态差等方法。
由模态参数识别损伤第二步工作的另一种方法是由模态参数确定结构的刚度矩阵的变化，是一种形式的参数估值问题。
直接的系统识别方法则直接由结构的反应确定结构的刚度矩阵，是另一种形式的参数估值问题。
因为参数估值问题是由结构的反应推断结构参数，就是由方程组的解反求方程组的系数。
这在数学上都是不定问题(方程数少于未知数)，只能通过使人为定义的误差函数最小来求解。
一般由结构模型的总自由度向测量自由度进行Guyan缩减后，建立误差函数，使之最小而求刚度矩阵中的各元素。
常用的基于动力测试的桥梁损伤检测方法有：(1)三个基于FRF波形的损伤识别指标；(2)基于振型的结构损伤识别法；(3)基于固有频率的损伤识别；(4)基于神经网络的结构损伤识别方法；(5)基于灵敏度的结构损伤识别方法；(6)基于应变模态和应变能的损伤识别方法2 基于动力的结构损伤检测方法1.基于固有频率变化的损伤识别方法固有频率是振动测试中最容易获得的指标之一，而且测试精度较高。
20世纪70年代中期，Cawley和Adams就开始研究自振频率和损伤之间的关系；到80年代中期，提出了一种确定损伤位置和估计损伤程度的方法，损伤识别的结果是通过实测结构的自振频率和理论自振频率比较得出的。
基于固有频率变化的损伤识别方法的识别指标主要有频率差和固有频率变化比。
该方法的不足之处是：(1)固有频率是一个全局量，不同的结构损伤形式可能产生相似的频率变化，只能发现损伤，但无法确定位置；(2)频率变化对结构损伤有时不十分敏感，无法识别小损伤。
2.基于振型变化的损伤识别方法虽然振型的测试精度低于固有频率，但振型也包含了与结构状态有关的信息。
利用振型变化识别结构损伤的方法很多，常用的方法有：(1)模态置信度判据法。
该方法利用模态置信判据进行损伤识别，如MAC和COMAC其原理是：当损伤未发生时，模态置信度判据为一；一旦损伤发生，由于振型的变化，模态置信度判据不等于一。
(2)模态正交法。
该方法利用模态的正交条件进行损伤识别。
当结构无损伤时，模态满足正交条件；当结构发生损伤时，则模态不满足正交条件。
该方法要用到模型矩阵，如刚度矩阵和质量矩阵，涉及到测量模态的插值扩阶或模型缩聚问题。
(3)振型曲率法。
如果结构出现损伤，则损伤处的刚度会降低，而曲率会增大。
振型曲率的变化随着结构损伤的增大而增大。
因此，可以根据振型曲率的变化确定损伤发生的位置，这种方法以振型曲率作为定位参数。
(4)振型变化图形法。
该方法是以振型相对变化量作为定位参数，即损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值。
当发生损伤时，受到影响的自由度上的振型相对变化量在损伤区域内就会出现比较大的值。
所以利用振型相对变化图可以识别损伤的位置。
上述基于振型变化的损伤识别技术在应用中面临着测量振型不完整(包括测量的振型个数少于分析模型的个数和测量的自由度个数少于分析模型的自由度数)和噪声等问题的影响。
3.基于柔度变化的损伤识别方法基于柔度变化损伤识别方法的主要原理是：在模态满足归一化的条件下，柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数，即低阶振动的模态和频率信息在柔度矩阵中所占的影响成分很大。
随着频率的增大，柔度矩阵中高频率的倒数影响可以忽略不计，这样只要测量前几个低阶模态参数和频率就可获得精度较好的柔度矩阵。
根据获得损伤前后的二个柔度矩阵的差值矩阵，求出差值矩阵中各列中的最大元素，通过对比每列中的最大元素就可找出损伤的位置。
Pandey和Biswas提出了基于结构测量柔度矩阵的变化进行结构损伤检测和定位的方法。
大量研究表明，结构柔度矩阵在低阶模态条件下包含了有关结构特性的丰富信息，为低阶模态条件下的结构损伤识别提供了一种新的有效途径。
但是在数据不完整、不精确的条件下，基于柔度阵的结构损伤识别方法的研究目前还是比较少。
为了充分利用柔度矩阵的低阶模态敏感特性，仍需要进一步更深入地开展基于柔度矩阵的结构损伤识别研究。
4.基于刚度变化的损伤识别方法当一个结构发生损伤时，刚度矩阵一般提供的信息比质量矩阵多，因为结构发生较大的损伤时，其刚度将发生显著的变化，根据刚度变化的大小进行结构损伤直接定位。
与总体柔度矩阵不同，总体刚度矩阵是叠加量，总体刚度矩阵的变化必然意味着观测节点的邻域有损伤存在。
也就是说，总体刚度矩阵的变化比总体柔度矩阵的变化在理论上更适合于定位损伤。
理论和仿真结果都证实，要确保基于刚度变化的结构损伤定位方法不存在误定位的问题，总体刚度矩阵的计算必须采用完整的模态数据。
但是，应当指出的是：由于结构高阶振型对结构刚度矩阵的贡献更大，因此要进行精确识别结构损伤，就要利用高阶振型，但高阶振型的准确获取难度较大，因此这种方法在工程实际中应用较少。