1、 基于動(dòng)力的結(jié)構(gòu)(jigu)損傷識(shí)別方法(fngf)研究(ynji)綜述摘要：結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問(wèn)題是橋梁健康監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)和重要組成部分，其對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要的影響，在眾多的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法中，基于動(dòng)力的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法憑借其一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。該研究能適合工程實(shí)際應(yīng)用，并且損傷識(shí)別結(jié)果可靠準(zhǔn)確，該方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)較為成熟的結(jié)構(gòu)損傷動(dòng)力特性識(shí)別方法。關(guān)鍵詞：損傷識(shí)別；健康檢測(cè)；動(dòng)力特性Research on Structural Damage Identification Based on DynamicAbstract：

2、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 i

3、ts 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 structura

4、l 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 引言結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別不僅僅是單純意義上的對(duì)損傷的診斷和修復(fù)，它更積極的意義在于使人們重新認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的特征，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對(duì)以后的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和重新設(shè)計(jì)。在工程上，大部分結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生都是由于長(zhǎng)期

5、外界因素的作用而累積形成的疲勞失效。損傷的位置可能是受影響最劇烈的位置，可能是自身的材料缺陷導(dǎo)致，也可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最薄弱的環(huán)節(jié)，這些因素往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到的。從這個(gè)角度上來(lái)看，損傷識(shí)別的結(jié)果可被用于探尋結(jié)構(gòu)中較剛度和強(qiáng)度薄弱的區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)的后續(xù)設(shè)計(jì)具有重大的指導(dǎo)意義。此外，我國(guó)正處于社會(huì)建設(shè)的全面發(fā)展時(shí)期，大批原有的工程結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行損傷評(píng)估。對(duì)于輕微損傷的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)救，使之滿足生產(chǎn)生活的需要；對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行二次再利用，發(fā)揮其仍有的價(jià)值。這與現(xiàn)如今提出的綠色、節(jié)能、低碳的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略也是相適應(yīng)的。因此，損傷識(shí)別不僅是一門重要的實(shí)驗(yàn)科學(xué)，同時(shí)對(duì)現(xiàn)今社會(huì)的發(fā)展也具有重大

6、的實(shí)際意義。完整意義上的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別包含以下四個(gè)任務(wù)：(1)判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。通常需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，或者事先獲得該結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的損傷評(píng)判指標(biāo)；(2)損傷的定位。在確定結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后，采用損傷定位指標(biāo)來(lái)確定損傷發(fā)生的具體位置；(3)損傷的程度分析。該問(wèn)題可以分為相對(duì)損傷程度和絕對(duì)損傷程度識(shí)別。相對(duì)損傷程度可以通過(guò)不同時(shí)期對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)多次檢測(cè)的評(píng)判指標(biāo)進(jìn)行比較得到。絕對(duì)損傷程度識(shí)別，即損傷的定量分析，則需要該結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下的損傷評(píng)判指標(biāo)；(4)評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷后的剩余服役壽命。1 橋梁(qioling)結(jié)構(gòu)(jigu)損傷動(dòng)力(dngl)檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁損

7、傷檢測(cè)方法屬于整體損傷檢測(cè)技術(shù)，它可以獲得結(jié)構(gòu)的全面信息，尤其結(jié)構(gòu)的隱蔽部位，而且檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確程度較少的依賴于檢測(cè)者的工程經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備及退化的途徑做出系統(tǒng)的評(píng)估?；趧?dòng)力測(cè)試的橋梁損傷檢測(cè)方法分三個(gè)層次：第一，判斷結(jié)構(gòu)有無(wú)損傷；第二，確定結(jié)構(gòu)的損傷位置；第三，標(biāo)定結(jié)構(gòu)的損傷程度。基于動(dòng)力測(cè)試的橋梁損傷檢測(cè)方法是近二十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究比較活躍的損傷識(shí)別方法，是基于結(jié)構(gòu)物的剛度、質(zhì)量以及材料物理參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系上?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的損傷識(shí)別方法大致可以分為兩類：(1)無(wú)模型的損傷識(shí)別方法，它們不使用結(jié)構(gòu)模型，屬于這類方法的有，基于FRF的波形損傷識(shí)別指標(biāo)方法，包括Wavefo

8、rm Chain Code(WCC，其中又包括量測(cè)FRF的斜率差和曲率差)，Aptive Emplate Ethods(ATM)和Signautre Assurance Cretiria(SAC)。此外還有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、ARMA模型、模型識(shí)別等。(2)有模型的損傷識(shí)別方法，它們使用結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行損傷識(shí)別。這類方法又可分為兩種：基于模態(tài)參數(shù)的損傷識(shí)別方法和直接的系統(tǒng)損傷識(shí)別方法?；谀B(tài)參數(shù)的損傷識(shí)別方法可分為兩步，首先通過(guò)振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行模態(tài)參數(shù)(自振頻率、振型、應(yīng)變模態(tài)等)識(shí)別，然后通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別損傷。第二步工作又有兩種方法，一是通過(guò)損傷識(shí)別指標(biāo)來(lái)進(jìn)行損傷識(shí)別，由于模態(tài)參數(shù)對(duì)損傷不敏感

9、，于是人們?cè)噲D對(duì)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行加工，以提高其對(duì)損傷的靈敏度，定義了損傷識(shí)別指標(biāo)后，可把它當(dāng)作結(jié)構(gòu)動(dòng)力指紋，通過(guò)比較完好狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力指紋和受損狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力指紋來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別。常用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力指紋有曲率模態(tài)差、柔度矩陣差和應(yīng)變模態(tài)差等方法。由模態(tài)參數(shù)識(shí)別損傷第二步工作的另一種方法是由模態(tài)參數(shù)確定結(jié)構(gòu)的剛度矩陣的變化，是一種形式的參數(shù)估值問(wèn)題。直接的系統(tǒng)識(shí)別方法則直接由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，是另一種形式的參數(shù)估值問(wèn)題。因?yàn)閰?shù)估值問(wèn)題是由結(jié)構(gòu)的反應(yīng)推斷結(jié)構(gòu)參數(shù)，就是由方程組的解反求方程組的系數(shù)。這在數(shù)學(xué)上都是不定問(wèn)題(方程數(shù)少于未知數(shù))，只能通過(guò)使人為定義的誤差函數(shù)最小來(lái)求解。一般由結(jié)

10、構(gòu)模型的總自由度向測(cè)量自由度進(jìn)行Guyan縮減后，建立誤差函數(shù)，使之最小而求剛度矩陣中的各元素。常用的基于動(dòng)力(dngl)測(cè)試的橋梁損傷檢測(cè)方法有：(1)三個(gè)基于FRF波形的損傷識(shí)別(shbi)指標(biāo)；(2)基于(jy)振型的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別法；(3)基于固有頻率的損傷識(shí)別；(4)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法；(5)基于靈敏度的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法；(6)基于應(yīng)變模態(tài)和應(yīng)變能的損傷識(shí)別方法2 基于動(dòng)力的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法1.基于固有頻率變化的損傷識(shí)別方法固有頻率是振動(dòng)測(cè)試中最容易獲得的指標(biāo)之一，而且測(cè)試精度較高。20世紀(jì)70年代中期，Cawley和Adams就開始研究自振頻率和損傷之間的關(guān)系；到80年代

11、中期，提出了一種確定損傷位置和估計(jì)損傷程度的方法，損傷識(shí)別的結(jié)果是通過(guò)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的自振頻率和理論自振頻率比較得出的?；诠逃蓄l率變化的損傷識(shí)別方法的識(shí)別指標(biāo)主要有頻率差和固有頻率變化比。該方法的不足之處是：(1)固有頻率是一個(gè)全局量，不同的結(jié)構(gòu)損傷形式可能產(chǎn)生相似的頻率變化，只能發(fā)現(xiàn)損傷，但無(wú)法確定位置；(2)頻率變化對(duì)結(jié)構(gòu)損傷有時(shí)不十分敏感，無(wú)法識(shí)別小損傷。2.基于振型變化的損傷識(shí)別方法雖然振型的測(cè)試精度低于固有頻率，但振型也包含了與結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)的信息。利用振型變化識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的方法很多，常用的方法有：(1)模態(tài)置信度判據(jù)法。該方法利用模態(tài)置信判據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別，如MAC和COMAC其原理是：當(dāng)

12、損傷未發(fā)生時(shí)，模態(tài)置信度判據(jù)為一；一旦損傷發(fā)生，由于振型的變化，模態(tài)置信度判據(jù)不等于一。(2)模態(tài)正交法。該方法利用模態(tài)的正交條件進(jìn)行損傷識(shí)別。當(dāng)結(jié)構(gòu)無(wú)損傷時(shí)，模態(tài)滿足正交條件；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，則模態(tài)不滿足正交條件。該方法要用到模型矩陣，如剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，涉及到測(cè)量模態(tài)的插值擴(kuò)階或模型縮聚問(wèn)題。(3)振型曲率法。如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，則損傷處的剛度會(huì)降低，而曲率會(huì)增大。振型曲率的變化隨著結(jié)構(gòu)損傷的增大而增大。因此，可以根據(jù)振型曲率的變化確定損傷發(fā)生的位置，這種方法以振型曲率作為定位參數(shù)。(4)振型變化圖形法。該方法是以振型相對(duì)變化量作為定位參數(shù)，即損傷前后振型的差值與損傷前振型的比值。當(dāng)發(fā)生

13、損傷時(shí)，受到影響的自由度上的振型相對(duì)變化量在損傷區(qū)域內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)比較大的值。所以利用振型相對(duì)變化圖可以識(shí)別損傷的位置。上述基于振型變化的損傷(snshng)識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用中面臨著測(cè)量振型不完整(包括(boku)測(cè)量的振型個(gè)數(shù)少于分析模型的個(gè)數(shù)和測(cè)量的自由度個(gè)數(shù)少于分析模型的自由度數(shù))和噪聲等問(wèn)題(wnt)的影響。3.基于柔度變化的損傷識(shí)別方法基于柔度變化損傷識(shí)別方法的主要原理是：在模態(tài)滿足歸一化的條件下，柔度矩陣是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù)，即低階振動(dòng)的模態(tài)和頻率信息在柔度矩陣中所占的影響成分很大。隨著頻率的增大，柔度矩陣中高頻率的倒數(shù)影響可以忽略不計(jì)，這樣只要測(cè)量前幾個(gè)低階模態(tài)參數(shù)和頻率就可獲得精

14、度較好的柔度矩陣。根據(jù)獲得損傷前后的二個(gè)柔度矩陣的差值矩陣，求出差值矩陣中各列中的最大元素，通過(guò)對(duì)比每列中的最大元素就可找出損傷的位置。Pandey和Biswas提出了基于結(jié)構(gòu)測(cè)量柔度矩陣的變化進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和定位的方法。大量研究表明，結(jié)構(gòu)柔度矩陣在低階模態(tài)條件下包含了有關(guān)結(jié)構(gòu)特性的豐富信息，為低階模態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別提供了一種新的有效途徑。但是在數(shù)據(jù)不完整、不精確的條件下，基于柔度陣的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的研究目前還是比較少。為了充分利用柔度矩陣的低階模態(tài)敏感特性，仍需要進(jìn)一步更深入地開展基于柔度矩陣的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究。4.基于剛度變化的損傷識(shí)別方法當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，剛度矩陣一般提供的

15、信息比質(zhì)量矩陣多，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)發(fā)生較大的損傷時(shí)，其剛度將發(fā)生顯著的變化，根據(jù)剛度變化的大小進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷直接定位。與總體柔度矩陣不同，總體剛度矩陣是疊加量，總體剛度矩陣的變化必然意味著觀測(cè)節(jié)點(diǎn)的鄰域有損傷存在。也就是說(shuō)，總體剛度矩陣的變化比總體柔度矩陣的變化在理論上更適合于定位損傷。理論和仿真結(jié)果都證實(shí)，要確?；趧偠茸兓慕Y(jié)構(gòu)損傷定位方法不存在誤定位的問(wèn)題，總體剛度矩陣的計(jì)算必須采用完整的模態(tài)數(shù)據(jù)。但是，應(yīng)當(dāng)指出的是：由于結(jié)構(gòu)高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣的貢獻(xiàn)更大，因此要進(jìn)行精確識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，就要利用高階振型，但高階振型的準(zhǔn)確獲取難度較大，因此這種方法在工程實(shí)際中應(yīng)用較少。5.基于能量變化的損傷識(shí)別方法

16、在利用能量變化識(shí)別損傷技術(shù)中，由于表達(dá)能量所用的參數(shù)不同，產(chǎn)生了許多方法。有些方法利用模態(tài)參數(shù)表達(dá)能量，有些方法不僅用到模態(tài)參數(shù)還同時(shí)引入了有限元模型信息。能量傳遞比(ETR)法，即把ETR作為損傷識(shí)別的定位參數(shù)。ETR法有很多優(yōu)點(diǎn)：(1)在損傷區(qū)域或靠近損傷區(qū)域時(shí)，ETR的值比較大，而遠(yuǎn)離損傷區(qū)域時(shí)，ETR變化不大；(2)ETR對(duì)損傷的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)固有頻率、阻尼比對(duì)損傷的敏感度，并且還能識(shí)別損傷的位置：(3)ETR法不需要有限元模型，可用于在線損傷檢測(cè)。但ETR法的不足之處是：(1)沒(méi)有考慮噪聲的影響；(2)假定系統(tǒng)僅有少量的幾階模態(tài)，其余模態(tài)被截?cái)?。另一種能量法，即應(yīng)變能方法。該方法同時(shí)

17、利用模態(tài)參數(shù)和有限元信息，其基本原理是利用結(jié)構(gòu)早期損傷前后應(yīng)變能發(fā)生變化的差值進(jìn)行損傷識(shí)別。應(yīng)變能方法已成功地應(yīng)用于橋、板和懸臂結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別中。6.基于(jy)傳遞函數(shù)(頻響函數(shù)(hnsh)的損傷識(shí)別(shbi)技術(shù)由損傷引起的傳遞函數(shù)的變化唯一地由損傷的類型和位置確定，根據(jù)這一特點(diǎn)Jiann-Shiun Lew提出了一種損傷識(shí)別方法。David C等學(xué)者利用頻響函數(shù)數(shù)據(jù)和有限元模型，結(jié)合最小秩攝動(dòng)理論，并假設(shè)所有產(chǎn)生損傷的方案情況，成功地對(duì)一桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識(shí)別。Maia N M M等人也提出了一種基于傳遞函數(shù)的損傷識(shí)別方法，即頻響函數(shù)曲率法。其原理與振型曲率法類似，但不需要測(cè)試振型，而

18、且比振型曲率法識(shí)別效果好，計(jì)算模擬算例表明，在考慮5%噪聲影響情況下，頻響函數(shù)曲率法可以很好地識(shí)別楊氏模量降低25%這樣的損傷量，不足之處是識(shí)別的位置不夠精確。Mark J等提出了另一種傳遞函數(shù)識(shí)別損傷法，即傳動(dòng)函數(shù)法(Transmittance Function)。TF即結(jié)構(gòu)上任意兩點(diǎn)加速度的互譜與兩點(diǎn)中任意一點(diǎn)的自譜的比值。對(duì)于相同均方根幅值的隨機(jī)激勵(lì)，TF是頻響函數(shù)矩陣列的函數(shù)，與輸入力、位移速度、加速度無(wú)關(guān)。那么，復(fù)傳動(dòng)函數(shù)就描述了結(jié)構(gòu)性質(zhì)的變化。這樣，結(jié)構(gòu)的復(fù)傳動(dòng)函數(shù)的最大變化就反映了結(jié)構(gòu)的損傷情況。TF法的優(yōu)點(diǎn)是：(1)不需要數(shù)學(xué)模型；(2)可以不需要先驗(yàn)知識(shí)(如以往的數(shù)據(jù)等)；(

19、3)可用于在線損傷監(jiān)測(cè)。TF法的不足之處是測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和位置影響損傷檢測(cè)的精度。7.基于阻尼的損傷識(shí)別技術(shù)運(yùn)用結(jié)構(gòu)損傷前后阻尼的變化診斷損傷主要應(yīng)用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由于通過(guò)模態(tài)參數(shù)識(shí)別技術(shù)確定阻尼比的精確度不高，因此利用阻尼識(shí)別損傷仍處于探索研究階段。Ndambi研究了結(jié)構(gòu)的阻尼機(jī)理以及利用阻尼作為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的損傷診斷指標(biāo)。Farrar研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷與結(jié)構(gòu)阻尼減小或增大沒(méi)有一致性。3 算法模式的修正模型修正方法的提出是為了建立更準(zhǔn)確的有限元模型，模型修正方法通過(guò)試驗(yàn)獲得的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣進(jìn)行修正，使其更好地與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相匹配?；谀Ｐ托拚慕Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的基本思

20、想是：通過(guò)采用某種特定的模型縮聚技術(shù)或向量擴(kuò)充技術(shù)，使修正的模型和原始模型的自由度數(shù)相同，然后比較它們之間的差別來(lái)識(shí)別損傷位置和程度。其本質(zhì)是一個(gè)求解約束最優(yōu)化問(wèn)題的過(guò)程。根據(jù)最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及優(yōu)化方法等幾個(gè)方面來(lái)分類，一般可分為：最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度分析法、特征結(jié)構(gòu)分配法和混合法。1.最優(yōu)矩陣(j zhn)修正法最優(yōu)矩陣修正法的基本原理是在特定的約束條件下，直接通過(guò)(tnggu)優(yōu)化求解某一目標(biāo)函數(shù)來(lái)求得修正的模態(tài)參數(shù)矩陣。其代表主要有基于最小范數(shù)理論的Berman-Baruch的矩陣修正法、拉格朗日乘子法、最小范數(shù)攝動(dòng)法以及(yj)基于最小秩的最小序攝動(dòng)法。Chen等為了解決修

21、正整體結(jié)構(gòu)矩陣不易識(shí)別單元結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn)，提出了通過(guò)最小化結(jié)構(gòu)特性擾動(dòng)矩陣范數(shù)識(shí)別損傷的方法，這種方法有利于對(duì)結(jié)構(gòu)損傷位置和程度做出準(zhǔn)確判斷。最小范數(shù)法的缺點(diǎn)是對(duì)整個(gè)剛度矩陣進(jìn)行修正，而損傷是局部的，這種處理會(huì)造成損傷識(shí)別困難。Zimmerman D C等首先建立了基于最小秩擾動(dòng)理論的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法，這種方法對(duì)結(jié)構(gòu)擾動(dòng)矩陣的秩進(jìn)行優(yōu)化以尋找滿足約束條件的秩最小的修正矩陣。Doebling指出，在損傷識(shí)別中，最小秩法優(yōu)于最小范數(shù)法。優(yōu)化求解方法要求所有分析自由度都有模態(tài)測(cè)量值，故必須采用模態(tài)振型擴(kuò)展或模型縮減技術(shù)，這會(huì)引入額外的誤差。最優(yōu)矩陣修正法經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，雖然已經(jīng)成功地解決了保證結(jié)構(gòu)特性

22、矩陣對(duì)稱性、稀疏性、正定性等問(wèn)題，但是如何在數(shù)據(jù)誤差和稀疏條件下準(zhǔn)確識(shí)別單元結(jié)構(gòu)參數(shù)仍未很好解決。2.靈敏度分析法靈敏度分析法就是利用測(cè)量參數(shù)(模態(tài)參數(shù))對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)(剛度、阻尼等)的導(dǎo)數(shù)來(lái)計(jì)算物理參數(shù)的變化，從而對(duì)模型進(jìn)行修正?？梢苑譃樵囼?yàn)靈敏度方法和解析靈敏度方法兩種。試驗(yàn)靈敏度方法是通過(guò)模態(tài)正交關(guān)系得到固有頻率和振型的靈敏度矩陣的方法，而解析靈敏度通常是直接計(jì)算剛度和質(zhì)量的靈敏度矩陣因此需要模型縮減或向量擴(kuò)充技術(shù)，這樣會(huì)帶來(lái)額外的誤差，對(duì)于噪聲的影響和矩陣參數(shù)變化較大的情況，沒(méi)有前種方法敏感。靈敏度法的好處是可以識(shí)別出結(jié)構(gòu)單元的損傷程度，缺點(diǎn)是靈敏度計(jì)算量特別大。如果能夠?qū)Y(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行大致

23、定位，再采用靈敏度方法，將會(huì)大大降低計(jì)算量。王柏生等先用損傷指標(biāo)進(jìn)行損傷定位，再用靈敏度識(shí)別損傷；Hyoung則先用最優(yōu)矩陣修正方法進(jìn)行損傷定位，再用靈敏度法識(shí)別損傷程度。這種分兩步走的方法可能是應(yīng)用靈敏度方法的一個(gè)較佳方案。3.特征結(jié)構(gòu)分配法特征結(jié)構(gòu)分配法的基本原理是通過(guò)合理選擇虛擬控制系統(tǒng)中輸出影響矩陣和反饋增益矩陣，使增加虛擬控制后的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性與在結(jié)構(gòu)上測(cè)得的動(dòng)態(tài)特性一致，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行修正。Zimmerman和Kaouk首先使用特征結(jié)構(gòu)分配技術(shù)研究了結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問(wèn)題，所提出的部分特征結(jié)構(gòu)識(shí)別算法提高了模態(tài)的可分配性，保持了修正模型的稀疏性。Lim總結(jié)了特征結(jié)構(gòu)分配技術(shù)在

24、結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用，并且建立了這種方法的統(tǒng)一框架。4.混合法結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的最優(yōu)矩陣修正法、靈敏度分析法和特征結(jié)構(gòu)分配法都在某些方面存在一定的不足，因此一些學(xué)者嘗試(chngsh)將這些方法結(jié)合起來(lái)或?qū)⑦@些方法與其它方法結(jié)合起來(lái)使用，以提高算法的計(jì)算效率和準(zhǔn)確程度。Wong等人提出了一個(gè)(y )將靈敏度研究和MAC/COMAC分析相結(jié)合的三步法，并用該方法對(duì)一個(gè)框架進(jìn)行了試驗(yàn)。Li和Smith基于靈敏度分析和最優(yōu)矩陣修正算法，提出了一種用于損傷識(shí)別的混合結(jié)構(gòu)模型修正方法。Dos Santos等提出了一種MRPT結(jié)合常規(guī)最小二乘估計(jì)算法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法。Law等使用靈敏度分析與統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的

25、方式，研究了直接利用不完整振型數(shù)據(jù)確定結(jié)構(gòu)損傷位置的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的混合法在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的識(shí)別問(wèn)題時(shí)，通過(guò)將問(wèn)題分解為不同的子問(wèn)題，使問(wèn)題得到了簡(jiǎn)化，有利于提高求解(qi ji)效率和識(shí)別的準(zhǔn)確性。4 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別存在的主要問(wèn)題和未來(lái)研究方向4.1結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別目前存在的主要問(wèn)題正是由于土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)具有如此重要的應(yīng)用價(jià)值，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，提出了各種各樣的方法。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)己經(jīng)成為了土木工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，處于土木工程科學(xué)研究的前沿。雖然結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論方法的研究已取得很多成果，但是由于人們認(rèn)識(shí)水平、試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究仍然進(jìn)展緩慢

26、，存在很多問(wèn)題，目前也難以有效應(yīng)用于工程實(shí)踐。綜合而言，主要存在以下問(wèn)題：(1)實(shí)用的損傷判別指標(biāo)發(fā)展更可靠的損傷判別指標(biāo)，該指標(biāo)不會(huì)誤判及漏判。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所使用的特征量必須敏感而且能準(zhǔn)確測(cè)量，這種指標(biāo)不僅要能夠損傷定位，而且能夠準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)損傷的程度。(2)結(jié)構(gòu)分析模型誤差結(jié)構(gòu)分析模型均存在幾何誤差、邊界條件及單元連接的模擬誤差、結(jié)構(gòu)材料特性誤差等，使得結(jié)構(gòu)分析結(jié)果存在一定程度的誤差，而目前對(duì)如何消除各種模型誤差的考慮還很不夠。(3)損傷識(shí)別算法的有效性基于有限測(cè)試位置振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別問(wèn)題可以當(dāng)成解一個(gè)非確定系統(tǒng)的非線性方程組，該方程組的未知數(shù)的數(shù)量要大于方程的數(shù)量，因此該數(shù)

27、學(xué)問(wèn)題的解不是唯一的，該問(wèn)題實(shí)際上轉(zhuǎn)化為一個(gè)非線性優(yōu)化問(wèn)題，需要應(yīng)用非線性優(yōu)化方法來(lái)得到最可行的解，優(yōu)化的目的是最小化目標(biāo)函數(shù)。解決該優(yōu)化問(wèn)題取決于目標(biāo)函數(shù)的確定和優(yōu)化方法的選擇等。目前常規(guī)的優(yōu)化方法都不能保證能識(shí)別全局最優(yōu)點(diǎn)，而且需要大量的計(jì)算和搜索時(shí)間，尤其是優(yōu)化問(wèn)題包含大量的設(shè)計(jì)變量。(4)觀測(cè)(gunc)數(shù)據(jù)的不完整大多數(shù)結(jié)構(gòu)識(shí)別方法假定結(jié)構(gòu)模型自由度與觀測(cè)(gunc)自由度相同，然而在實(shí)際工程中，由于條件所限，下面一些情況會(huì)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的不完整：結(jié)構(gòu)測(cè)試傳感器只能布置在有限的位置上，特別是對(duì)于較為大型(dxng)的結(jié)構(gòu)，傳感器的數(shù)量就更為稀疏；觀測(cè)數(shù)據(jù)的不完整不但與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度有關(guān)

28、，而且與結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，對(duì)于包含受彎構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)自由度的響應(yīng)在實(shí)際中是無(wú)法直接觀測(cè)得到的；在結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)中，由于激勵(lì)方式、數(shù)據(jù)采樣率和濾波的限制，只能獲取有限頻率范圍的模態(tài)數(shù)據(jù)。不完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法給結(jié)構(gòu)識(shí)別提供充分的有用信息，常常造成識(shí)別問(wèn)題只能在信息欠定條件下求解，加劇了識(shí)別問(wèn)題的不適定程度，使得結(jié)構(gòu)識(shí)別問(wèn)題的求解更具挑戰(zhàn)性。(5)觀測(cè)數(shù)據(jù)的不精確目前現(xiàn)有的實(shí)用于工程實(shí)踐的動(dòng)力測(cè)試手段相對(duì)落后，在環(huán)境噪聲等的干擾下，實(shí)測(cè)動(dòng)力數(shù)據(jù)中存在測(cè)試誤差使其有效信息進(jìn)一步降低，使得目前損傷識(shí)別理論方法對(duì)動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)量與精度的要求普遍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的實(shí)測(cè)動(dòng)力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差的存在可能會(huì)掩蓋因結(jié)構(gòu)特性改

29、變而引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)識(shí)別無(wú)法得到合理的解答。從上述總結(jié)中可知，橋梁健康監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的研究尚處探索階段，距離實(shí)用性的系統(tǒng)目標(biāo)尚有很大的差距。實(shí)際上不同類型、部位的結(jié)構(gòu)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的影響程度有極大的不同，尋找特定結(jié)構(gòu)形式不同損傷對(duì)其動(dòng)力模態(tài)的敏感因素，并盡可能排除噪聲對(duì)結(jié)果判斷的影響，有可能在一定程度上推進(jìn)此技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。為達(dá)到這一目的可從兩方面入手：(1)提高橋梁損傷診斷方法的靈敏度和強(qiáng)健性，需要敏感性較高的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及后期對(duì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，合理的計(jì)算方法的支持。(2)降低噪聲和不確定性因素的影響，即對(duì)其進(jìn)行量化，就工程應(yīng)用而言，利用概率統(tǒng)計(jì)信息來(lái)表征，是合理且可行

30、的。4.2結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別未來(lái)研究方向目前，對(duì)基于信號(hào)處理技術(shù)及多學(xué)科交叉的損傷識(shí)別方法的研究方興未艾，為了進(jìn)一步明確研究目標(biāo)，把握現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是非常必要的。在該研究領(lǐng)域有如下幾個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)：(1)全局性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的研究基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的全局性損傷識(shí)別技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外眾多研究人員的廣泛關(guān)注，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展以及多學(xué)科的交叉、融合，給基于動(dòng)力測(cè)試的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)帶來(lái)了較大的發(fā)展空間。全局性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)可以從整體上評(píng)估結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、服役壽命，與局部損傷探測(cè)技術(shù)相比，成本較低，操作簡(jiǎn)單，可靠性高。特別對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，局部

31、檢測(cè)技術(shù)實(shí)施起來(lái)困難較大，發(fā)展全局性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)顯得更為可行。(2)提高結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別(shbi)效率、降低成本為了較好的描述結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段就需要(xyo)建立相應(yīng)精確的數(shù)值模型。結(jié)構(gòu)的測(cè)試系統(tǒng)中，傳感器數(shù)量、位置的選擇，測(cè)試手段的選擇等都需要較大的發(fā)展以降低該系統(tǒng)的成本。(3)發(fā)展實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)(jigu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大多數(shù)情況下，外界的激勵(lì)力是不確定的，無(wú)法測(cè)試得到，另外噪聲干擾以及測(cè)點(diǎn)數(shù)有限意味著可利用的測(cè)試信息的有限性。因此如何利用有限的信息發(fā)展實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)1Starritt L W,Matthews L K.

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