基于靜力測試的結構損傷檢測研究進展

摘 要:對近年來基于靜力測試的結構損傷檢測方法進行了歸納和總結，闡述了基于靜力位移的損傷檢測技術。從位移法、模型修正法、靜力測試與智能算法的結合、動靜結合方法等方面綜述了目前國內外基于靜力測試結構損傷檢測的研究成果，并分析了各種方法的優缺點，最后根據靜力損傷檢測方法在應用上存在的問題展望了今后的研究趨勢。

關鍵詞:損傷檢測靜力數據智能算法

中圖分類號:TU241文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0017-01

土木工程結構長期受到各種環境荷載的作用、溫度應力變化以及環境腐蝕等的影響，必然導致結構損傷積累，抗力衰減。若結構損傷積累到一定程度而并無及時發現和處理，最終會導致結構毀壞，危及人民的生命和財產，因此需要對結構的健康狀況進行監測。基于靜力測試數據的結構損傷檢測方法是眾多有效的損傷檢測方法之一。靜力損傷檢測方法比動力損傷檢測方法簡單，因為靜力平衡方程只與結構剛度性質有關，根據實測靜態數據很容易推算出結構剛度，且靜力測試儀器較便宜，測試技術也更先進，能較準確地測得結構的變形，所以靜力損傷檢測方法在土木工程領域受到了廣泛關注[1]。

1 基于模型修正的結構損傷檢測靜力方法

張宇鑫等[2]提出了基于DLV位移的結構損傷檢測方法。假設存在若干組荷載向量組(DLVs)，作用于破壞和非破壞結構時產生相同的變形的測點很可能是結構損傷部位。然后將這若干組位移DLVs集合并施加在初始結構上，識別損傷位置。通過一個平面桁架進行數值模擬分析，驗證了提出的位移DLV方法是有效、可靠的。付春雨等[3]提出了基于位移連續的結構靜力損傷檢測方法。測試數據的誤差與最優化方法本身的不足，使識別結果容易陷入局部極小值而出現誤判。因此同時考慮位移連續的2個條件(撓度逼近和截面相對轉角最小)，在一定程度上減小了誤判的可能，使檢測與實際情況更為接近。向天宇等[4]提出了基于有限元模型修正的結構損傷檢測方法。他將此方法應用于一兩跨預應力混凝土連續箱梁，結果表明結構損傷后所得的計算位移和實測位移良好吻合。向天宇等[5]又提出了結構損傷檢測的雙重網格算法。在修正有限元模型后，采用損傷網格描述結構損傷，通過損傷網格節點的損傷變量插值得到結構內任意點的損傷值

2 靜力方法與智能算法的結合

陳孝珍等[6]提出了基于灰色相關性分析的結構靜力損傷檢測方法。由于位移曲率比位移本身對結構的損傷更加敏感，因此可以利用靜態位移曲率的關聯程度來反映結構是否發生損傷，然后定義單元剛度損傷系數，通過一個非線性約束的優化問題求解確定單元剛度損傷系數。模型誤差、測量噪聲及測量數據不完整等因素是制約結構損傷檢測技術應用的主要難點。袁旭東等[7]提出了基于靜力位移及頻率的結構損傷檢測神經網絡方法。當結構發生損傷時，將結構的靜力位移和模態參數及其導出量組成網絡輸入向量。在訓練樣本的節點位移上加注隨機噪聲后對一損傷單元進行訓練，進而對其他不同損傷程度的單元做出識別。結果表明，參數訓練出的神經網絡受噪聲影響較小，網絡具有很強的魯棒性。但是BP神經網絡中隱含層的層數和單元數的選擇尚無理論上的指導，一般是根據經驗或者通過反復實驗確定。因此，網絡往往存在很大的冗余性，增加檢測難度。陳孝珍等[8]提出了偽多目標模糊遺傳算法的結構損傷檢測方法。傳統遺傳算法對多損傷程度的檢測通常采用權重和法構造優化目標函數并求其最大值，但通常只能得到非劣解。故將單目標優化問題轉為多目標優化問題，并運用偽多目標模糊優化遺傳算法進行優化計算。

3 靜力方法和動力方法的結合

Wang等人[9]提出了基于靜力測試數據和頻率改變的結構損傷檢測方法，定義損傷信號為頻率變化值和靜態位移變化數據的比值，根據測量損傷信號和預測損傷信號之間的匹配程度，定位結構的損傷部位。王茂龍等[10]研究了該方法在砌體結構中應用的可行性。通過有限元分析及砌體模型試驗，成功定位出結構的損傷部位。李波等[11]提出了基于有限元模型修正技術的新式聯合靜動法。傳統的靜動法是對靜力目標函數和動力目標函數進行加權求和，而新式聯合靜動法綜合運用動態加權系數和單目標函數作為狀態變量。由于測試數據不足或存在測量噪聲，損傷識別將出現錯誤的可能。張清華等[12]提出了基于概率可靠度法的結構損傷檢測方法。采用正則化技術降低結構損傷檢測問題的不適定性和求解困難，綜合利用參數估計和數據攝動技術獲得結構參數的統計特征，在此基礎上根據假設檢驗識別損傷位置和損傷程度。

4 結語

目前國內外對結構靜力損傷檢測方法的研究已取得了一定的進展，在未來的研究工作中，以下幾點需要加強研究：(1)環境因素和人為因素引入的噪聲及誤差對損傷檢測結果會產生一定影響，如何減小該影響是一個值得研究的課題。(2)如何克服測試信息不完全的影響。(3)動靜結合的損傷檢測方法研究。基于靜態測試數據精度高、穩定性好，但信息量少，而動態測試數據信息量多的特點，綜合運用二者進行結構損傷檢測是值得研究的。

參考文獻

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[3] 付春雨，李喬，單德山.基于位移連續的靜力損傷識別[J].橋梁建設，2010，2:18～20.

[4] 向天宇，趙人達，劉海波.基于靜力測試數據的預應力混凝土連續梁結構損傷識別[J].土木工程學報，2003，36(11):79～82.

[5] 向天宇，趙人達.結構損傷識別的雙重網格算法[J].中國公路學報，2006，19(4):94～97.

[6] 陳孝珍，朱宏平，陳傳堯.灰色相關性分析在結構靜力損傷識別中的應用[J].力學與實踐，2005，27:60～64.

[7] 袁旭東，周晶，黃梅.基于靜力位移及頻率的結構損傷識別神經網絡方法[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37(4):488～490.

[8] 陳孝珍，張銦.偽多目標模糊遺傳算法在結構損傷識別中的應用[J].水電能源科學，2008，26(2):119～121.

[9] X.Wang，N.Hu，Hisao Fukunaga，Z.H.Yao.Structural damage identi?cation using static test data and changes in frequencies[J].Engineering Structures， 2001，23:610～621.

[10] 王茂龍，劉明，朱浮聲.動-靜測試相結合的損傷識別方法在砌體結構中的應用[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)， 2006，22(2):208～211.

[11] 李波，屈文忠，曾又林.基于有限元模型修正技術的結構損傷檢測[J].武漢大學學報(工學版)，2008，41(5):102～105.

[12] 張清華，李喬，唐亮.斜拉橋結構損傷識別的概率可靠度法[J].鐵道學報，2005，27(3):70～75.