淺述基于模態分析的方法在土木工程結構中的健康監測

摘 要：本文基于模態分析的方法對結構健康監測研究中的結構損傷檢測法及其特點進行介紹。模態分析法是針對結構全局的測試，其使用的該模式僅限于低級別的方面，檢測的結構應該更容易建立有限元模型，以方便進行響應預測。

關鍵詞：模態分析；健康；監測

土木工程自從建成后，隨著使用時間的延長，不斷受各種環境侵蝕和荷載以及自然條件等的作用，若沒有適當的維護，將使土木工程基礎設施的狀態逐漸趨于劣化而變得不可靠。結構健康監測技術的主要目的就是由結構中的傳感器來實時取得結構對環境激勵的響應并從中得到土木工程結構的老化和受損信號，為工程的正常使用和日常維護提供參考數據，從而可降低維修費用，預報災難性事故的發生，將損失減小。下面就使用模態分析的方法在土木工程結構中的健康監測做一下簡要敘述。

結構響應的有限元模型的推導結構的質量矩陣和剛度矩陣的方法和途徑，即參數辨識問題，在以往的文獻中有詳細的測試，檢測的結構動力修改，modaland的傷害定位。結構動力修改是一個關鍵的損傷檢測。他可以得出，就可以準確預測的有限元模型的結構響應，其原因是自由度的數目是小于的數目的模型的自由度，測量由多種原因，許多差異與測量得到的模態模態的有限元模型。結構動力修改的方法很多，但目前還沒有一個公認的權威的工程方法。

主要是進行模態參數識別的頻域和時域信號轉換成頻域信號可能會有所不同加收集和數據分析的頻域窗口而致傷害導致損失的信息，以降低分辨率的傷害。從損傷檢測的角度來看，時域信號中還含有大量的信息在頻域分析未能充分利用易卜拉欣介紹ITD法在20世紀70年代初，許多基于時域信號分析電力系統參數識別方法。如卡爾曼濾波、隨機減量法、時序分析法、MA模型和ARMA模型、Pronny估計、最大熵估計、極大似然估計、優化方法等[2]。

在結構局部損害且程度較輕時，結構模態參數沒有改變的結構的局部損傷，并在較小程度上，當原來的頻率的結構，或模態阻尼的MAC值的兩個變化時，不能有效地顯示出結構損傷。Farrar用實驗和有限元模擬等方法得到到的動力學參數結構的橋，這座橋結構構件不同程度的損傷，字相比原來的頻率，模態阻尼和MAC值，結果顯示只有字梁斷裂程度的截面積的一半以上的上述參數與結構完整，有顯著的差異時，結構的破壞是非常嚴重的，并在模態節點處所收集到的信息，也沒有明顯的變化。當這橋梁結構中的工字梁發生不同程度損傷時，比較原始頻率、模態阻尼，以上各參數才與完好結構有明顯的差異。最近，一些學者模態分析和應變模態法，剛度或彈性變化的方法，模態曲率法，柔度曲率法，頻率響應函數曲率法，破壞指數的損害的檢測方法，上述方法的基礎上改進方法損傷檢測靈敏度有所增加。提出了如應變模態方法、剛度或柔度改變法、模態曲率方法、柔度曲率方法、頻響函數曲率方法、損傷指數法等結構損傷檢測方法，以上方法進行損傷檢測的敏感程度都有提高。

在有限元模型的損傷模擬方面，Farrar等提出了將原有相互連結的單元劃分為分離形式的方法，也有研究者采用降低單元剛度的方法。通過過對損傷檢測方法精度的對比，比對的方法的特征參數，改進的剛度變化，變化的方法的靈活性，矩陣光標方法，結果表明，該矩陣的光標的損傷的方法是最敏感的，其余的依賴于測試數據的準確性。

還有報道是將模態參數組合起來作為損傷評價的標準。比如將結構損傷后的第i個和第j階模式的結構損傷檢測的分析的特征參數的比率的平方的頻率變化，所以，每一個單元可以計算出參數的損害所標識的位置，所以這個所得參數的大小，但也得到損傷的程度。通過數值模擬表明，顯著影響上的結構細觀損傷法官的參數。從而獲得的損傷指數DS判斷損傷位置，但與損傷的程度無關。模態分量的基礎上，先前的判斷、資料，原來的頻率，和一個小的節點的參數組合，形成一個多層次的框架結構損傷檢測網絡，數值模擬和實驗驗證結果表明，通過網絡使用這個組合的參數模型誤差相對較小，有一個非常強大的，具有很好的識別，以確定結構的損傷位置和損傷程度的影響。

綜上所述，模態參數的組合和數學方法可以提高損傷識別的靈敏度。通過參考損傷誘導的載體構建一個模態的測試數據，以確定的方法的結構損傷。傷害誘導的載體可以快速排除沒有損壞的部件，減少了識別范圍，計算量也小，該方法也可以判斷輕微損壞的結構。使用遺傳算法，以確定結構的損傷位置和損傷程度，所使用的信息中識別的遺傳算法的結構之前，原始的第二次頻率和相應的模式的形狀或結構的前三個原始頻率和第一階模式，表明遺傳算法來找到最佳的解決方案的優勢鮮為人知的信息。使用技術分析和處理模態參數的支持向量機（SVM），并與神經網絡技術相結合，以確定結構的損傷。模態分析的結構的整體測試的方法，使用的模態被限制到低級別的區域，檢測的結構應該更容易建立的有限元模型，以便響應預測。

參考文獻

[1]Ewins D J. Modal Testing：Theory and Practice. New York： Wiley，1985.

[2]李國強，李杰.工程結構損傷診斷的動力學方法研究綜述[M].湖南城建高等專科學校學報，2002.48.