结构动力检测研究概述读书报告结构动力检测研究概述一.引言土木工程事故的发生，造成了人员伤亡和财产损失，必然引起人们对土木工程安全性的关心和重视。

评估已有建筑物或桥梁等结构在灾害性事件(如：地震、台风、爆炸等)后的健康情况，采用常规检测方法进行检测是费时的。

因为主要的结构构件或节点一般都在外覆盖物或者建筑装饰物的下面。

为迅速营救生命、拯救财产，立即对它们的健康情况做出评估是很有必要的。

例如，1994年1月17日，美国加州Northridge大地震，一些建筑物在主震后并未倒塌，但是结构的损伤没有及时发现并进行处理，在后来的一次余震作用下结构发生了倒塌。

1995年日本神户大地震和1999年台湾台中大地震也有类似的情况发生[1]。

人们在基于振动的结构健康监测方面进行了一系列的研究。

20世纪70年代和80年代初，石油工业投人大量的人力和物力开发海洋平台健康监测系统；20世纪70年代后期，美国航天航空部门开展了有关航天飞机动力健康监测的研究；1987年以来，美国所有的人造卫星都配置了航天模型的健康监测系统，美国国家航空和宇航局要求所有的发射设备安置结构健康监测系统[2]。

20世纪80年代初，土木工程部门开展了桥梁健康监测系统的研究。

在连接香港新机场的青马大桥上安装了600多个传感器[3]。

期间，虽然得出了一些较为成功的健康监测技术，但是如何从测量的信息来解释结构的健康状态和损伤情况，至今还没有完善的理论体系，基于振动的结构健康监测仍然是一个挑战。

综观结构损伤检测的研究历史，从损伤的定义来划分，大体上可以划分为单元刚度整体下降的损伤检测法和单元之间连接刚度下降的损伤检测法。

对于前者，结构的损伤程度可由单元刚度折减系数来表示[4]；对于后者，损伤程度可以由单元之间连接部分(连接单元)刚度的减小来表示，如钢结构梁柱连接部位螺栓的破坏、混凝土与钢筋之间粘结的破坏都属于连接单元失效问题。

前者把损伤简单地假定为结构某些单元刚度减小，在此基础上开展的损伤检测研究已经很多了；后一种损伤定义更加接近结构的实际破坏形式，但目前开展的研究工作尚不多。

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：由简支梁开始到平面框架结构，再到桁架结构和空间结构，如海洋石油井架等。

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，基于小波分析的损伤检测方法和基于模糊逻辑(fuzzy logic)的损伤检测方法等。

基于力学理论的方法可以划分为基于静力学理论和基于动力学理论的方法。

基于动力学理论的方法又可以划分为：线弹性理论的损伤检测方法和非线性理论的损伤检测方法。

线弹性理论的方法又可以分为：基于模态理论的损伤检测和基于波动理论的损伤检测方法。

基于非线性力学理论损伤检测方面的研究文献尚不多见[5]。

二.开展工程结构动力检测的意义开展工程结构动力检测有如下重大意义：(1)传统的检测手段(如目测和静力检测)和无损检测技术(如超声波)均是结构局部损伤的检测方法，这些方法要求事先知道结构破损的大致位置，所以只能检测到结构表面或附近的损伤。

如果是大体量结构，则不仅工作量巨大，而且难以预测结构性能的整体变化。

基于结构振动的损伤识别可应用于复杂结构的定量的整体检测，能够有效克服静态检测方法中存在的应用条件限制和工作效率相对较低的缺点。

(2)在土木工程实践中，设计、施工存在失误或正常使用中超载、环境腐蚀均可对结构造成不同程度的损伤，利用结构的健康检测技术，不仅可及时发现这些损伤的具体部位，甚至检测到无法接近的或隐蔽的损伤部位，为制定技术、经济水平均较高的加固方案提供充分的技术支持。

(3)将结构的健康检测技术应用于结构在线监测，可发现早期的结构损伤，以便及时对结构进行维修，从而排除隐患。

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。

目前高效模块化、数字化的结构动力响应量测技术为结构动力检测方法提供了坚实有效的技术支持。

(4)通过动力检测技术，可检验结构建成后的实际性态与设计的预定性态是否一致。

对较为复杂的工程结构，目前的结构计算尚无法推确、全面考虑影响结构性态的各个因素。

如：由于计算模型或参数不准确高层建筑的计算基本周期与实际值相差可达3倍以上[6]。

及时发现结构建成后的实际性态与设计的预定性态是否一致，对结构的后期使用有非常重要的意义。

利用结构的振动响应和系统动态特性参数进行结构损伤诊断是目前国内外研究的热点和难题。

这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤结构的振动试验数据作为探测损伤结构的振动信息,与损伤结构的振动响应进行比较从而判定结构损伤的位置与程度。

这种损伤探测的方法相当于在特定结构位置确定结构特性，是作为结构振动反问题的结构动力修改方法的具体应用和发展。

三.基于振动的健康监测过程所有的结构在存在期间无论是受到自然作用还是人为作用都会发生损伤，基于振动的健康监测是指利用现场的、无损伤的、测量结构振动信息的方式获得结构动力反应信息，分析包含在结构动力反应信息内的各种数据特征，以便了解结构因损伤或者退化而造成结构健康状况的改变。

结构健康监测可以分为4个步骤[7]：(1)结构运营评估；(2)数据的获得；(3)特征数据的提取；(4)统计方法的应用。

1.结构运营评估要对结构进行健康监测，首先需要进行结构运营评估：即根据结构存在的环境，分析结构可能遭受的各种作用、结构在这些作用下可能发生的损伤、这些损伤可能造成的危害以及确定尽早识别损伤采用的方法。

结构运营安全性评估提出了实施结构健康监测的4个问题[8]。

①结构可能出现损伤的种类；②结构运营下的环境；③在运营环境下，进行数据采集的限制；④监测对生命和财产的保障作用。

结构运营评估提出了结构为什么要进行健康监测，制定了健康监测各自的具休内容和需要识别的结构损伤的不同特点。

2.数据的获得土木工程结构自由度大，监测数据种类较多，测量不同数据采用的原理也不一样，使得测量信号的差异很大。

因此，需要考虑结构健康监测中数据获得方式，包括：选用传感器的种类，传感器的布置，传感器的数量，数据获得、储存和传输的硬件，数据采集的频率(定期进行、重大事故后进行)，数据标准化过程(暂时的、同输人数据一致的)。

对获得的数据还需要进行整理，包括：识别数据的可靠性(删除有问题传感器的数据、对数据进行滤波)，识别并量化数据的差异(环境、测试、运营条件引起的数据差异，数据冗余处理引起的数据差异，构件与构件间差异引起的数据差异)，结合程序其他部分的反馈数据。

数据的获得是结构健康监测得以进行的前提。

3.特征数据的提取在结构健康监测领域里，普遍关注的是特征数据的提取。

对测量的数据进行分析，确定识别结构损伤的特征数据，通过特征数据的变化来判断结构是否发生损伤。

现实中的结构受到周围环境和运营条件变化的影响，如，温度、湿度、荷载情况的变化，这些变化都不同程度影响特征数据的提取。

所以应该避免由于结构环境或运营条件的变化导致健康监测系统做出错误的判断。

现实中环境和运营条件变化引起的数据特征的变化经常掩盖结构损伤引起的数据特征的变化[9-11]。

特征数据的提取是结构健康监测得以进行的关键。

4.统计方法的应用结构健康监测中使用的统计方法，是用来分析特征数据的分布进而判断结构的健康状况。

根据测量数据的来源选择健康监测系统采用的统计方法，常用的统计方法有两类：有指导学习的统计方法、无指导学习的统计方法。

有指导学习的统计方法是指统计方法分析的数据可以从未破坏的和破坏的结构获得；无指导学习的统计方法是指统计方法分析的数据只能从未破坏的结构获得。

对财产和生命安全的关注使得从破坏结构获得数据很不现实，所以需要发展无指导学习的统计方法。

结构健康检测采用的无指导学习统计方法是建立在异常数据分析的基础上在结构运营中，从获得的数据中提取特征数据，观察特征数据与正常值的偏离程度，判断结构是否发生损伤、是否应该发出损伤警报。

统计方法的应用是为了保障健康监测系统对结构健康状况做出正确的判断。

四.结构动力特性测定建筑结构的动力特性(固有频率、振型、阻尼系数等)是结构本身的固有参数，它们与结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质、结构是否存在缺陷等有关。

常用的结构动力特性测定方法有:自由振动法、共振法和脉动法[12]。

1.自由振动法1.1加载方式为使结构产生自由振动，通常采用突加荷载和突卸荷载两种方法。

突加荷载法是将重物提升到某一高度，通过脱钩装置或割断绳索的方法使其落到结构上，产生垂直冲击荷载使结构产生自由振动或用水平运动的重物撞在结构上，产生水平冲击荷载使结构产生自由振动。

突加荷载法的优点是简单易行，可以用较小的荷载产生较大的振幅，缺点是加上去的重物要附在结构上一起振动。

采用突加荷载法时，重物重量的大小和落重高度，可根据所需振幅大小决定，一般重量不大于试验跨内结构自重的0.100，落重高度小于2. 5m 。

为防止重物跳动或结构局部损坏，可在落点处铺一层厚约10-20 mm 的砂垫层。

(a) 撞槌 (b)落重图1.突加荷载法突卸荷载法是藉助外力使结构产生一定的初位移或初速度，然后突然卸载，利用结构的弹性使其产生自由振动。

突卸荷载在结构自振时已不存在，因此荷载本身对结构的自振不产生附加影响。

突卸荷载的大小根据 图2.突卸荷载法所需最大振幅计算求得。

具有吊车的厂房，也可利用大车或小车突然刹车的方法，使厂房产生纵向或横向自由振动。

桥梁还可采用载重汽车越过障碍物的办法产生一个冲击荷载，从而引起桥梁的自由振动。

另外，还可采用爆炸和发射小型火箭产生脉冲荷载，使结构发生自由振动。

1.2固有频率的测试给结构以初位移或初速度，使其产生衰减自由振动，由实测得到的结构衰减自由振动的波形图上测量出基本周期T ，为消除荷载影响，最初的一、二个波不用，同时，为提高准确度，可以取若干个波的总时间除以波数得出平均数作为基本周期，其倒数即为有阻尼固有频率f d 。

211n n df f T ζ==- (1)式中 f n ――(无阻尼)固有频率；ζ――阻尼比，/2n nc mK ζω==；n ――衰减系数，n =c /2m 。

由于建筑物阻尼比较小，211ζ-≈，则有：2(0.2)1dn d f f ζζ=≈<- (2)当0.1ζ<时，相对误差大于0.5％。

固有频率也可直接对自由振动波形进行频谱分析得到。

1. 3阻尼参数的测试测量衰减自由振动波形图上第i 个波峰处幅值A i 和第i +m 个波峰处幅值A i+m ，则对数衰减率为:11ln i d i A n T m A δ+== (3) 衰减系数n 为：11ln i d d i A n T m T A δ+== (4) 当小阻尼比时1/2/d n n T T f πω≈==，阻尼比为：/2ζδπ=采用自由振动法通常只能测定第一振型的频率和阻尼参数。