基于模態(tài)參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)損傷識別進(jìn)展

[摘要]建筑結(jié)構(gòu)在其正常使用過程中會遭受到各種情況的損傷，而一些不易被檢測到的損傷可能會持續(xù)發(fā)展并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。基于此，近年來有關(guān)結(jié)構(gòu)損傷識別的研究受到了廣泛的關(guān)注，而基于模態(tài)參數(shù)的損傷識別方法是目前較為廣泛應(yīng)用的方法。

[關(guān)鍵詞]建筑結(jié)構(gòu)；模態(tài)參數(shù)；損傷識別 文章編號：2095-4085（2016）03-0062-02

近年來，我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)朝著大跨度、高層的方向發(fā)展。地震，颶風(fēng)等自然災(zāi)害以及爆炸火宅等因素對建筑結(jié)構(gòu)造成了較大的損傷，建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中，也會受到復(fù)雜自然環(huán)境的侵蝕以及人為因素的破壞，這樣會造成結(jié)構(gòu)損傷。當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷達(dá)到一定的程度以后，建筑結(jié)構(gòu)的安全性就得不到保障，因此對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識別是十分有必要的。

目前，建筑結(jié)構(gòu)的損傷識別分為靜力檢測以及動力檢測，對于大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)的損傷檢測主要還是以靜態(tài)監(jiān)測為主。但是靜態(tài)監(jiān)測的檢測周期較長，而且設(shè)備繁雜，影響建筑結(jié)構(gòu)的正常使用，同時檢測過程中又能對建筑結(jié)構(gòu)造成新的破壞。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，動力檢測的損傷識別精度越來越高，而且具有無損、高效的特點。

1模態(tài)參數(shù)識別的基本方法

近年來出現(xiàn)了較多使用不同模態(tài)參數(shù)和算法識別損傷的方法，其以及在建筑結(jié)構(gòu)損傷領(lǐng)域顯示出了其強大的優(yōu)勢。模態(tài)參數(shù)識別是通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵，得到建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，進(jìn)而確定建筑結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)即模態(tài)參數(shù)。目前建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別主要是經(jīng)典的傳遞函數(shù)模態(tài)分析法以及基于環(huán)境激勵的模態(tài)參數(shù)識別¨J。傳遞函數(shù)模態(tài)分析法是同時利用激勵的力以及輸出響應(yīng)進(jìn)行參數(shù)識別，而基于環(huán)境激勵的模態(tài)參數(shù)識別則不需要對激勵進(jìn)行激勵，僅僅利用建筑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)即可識別模態(tài)參數(shù)。主要的基于環(huán)境激勵的模態(tài)識別方法有峰值拾取法以及頻域分解法。

1.1峰值拾取法

峰值拾取法假定建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的互功率譜峰值僅僅由一個模態(tài)決定，利用建筑結(jié)構(gòu)響應(yīng)的互功率譜替代其頻響函數(shù)。因此可以通過功率譜峰值對應(yīng)的頻率值得到建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率值，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實際工作撓度比值得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。峰值拾取法由于其識別方法簡單，操作便捷等優(yōu)勢，在建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別中應(yīng)用最為廣泛。但是其不能識別密集模態(tài)，對于建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比識別誤差較大。

1.2頻域分解法

頻域分解法是基于白噪聲激勵識別模態(tài)參數(shù)的方法，在原理上與峰值拾取法基本一致，并且克服了峰值拾取法的不足，在識別過程中，建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率以及阻尼是由對應(yīng)單自由度相關(guān)函數(shù)的對數(shù)衰減中得到。因此，頻域分解法的主要工作原理是對響應(yīng)功率譜進(jìn)行奇異值分解，將其分解為相應(yīng)多階模態(tài)的一組單自由度結(jié)構(gòu)功率譜函數(shù)。

2基于模態(tài)參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)損傷識別

基于模態(tài)參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)損傷識別主要的原理是根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振微分方程（式1），通過識別得到的固有頻率、振型、阻尼等模態(tài)參數(shù)與建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、材料特性等物理力學(xué)參數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系。因此建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時，必然會導(dǎo)致模態(tài)參數(shù)發(fā)生變化，根據(jù)模態(tài)參數(shù)的變化程度判斷建筑結(jié)構(gòu)的損傷程度以及損傷位置。

早期運用直接比較模態(tài)參數(shù)的辦法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的損傷判斷，此法計算簡單。對于直接比較建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率變化不包含空間信息，無法判斷損傷位置。通過比較振型變化，現(xiàn)在常用的是利用MAC（模態(tài)置信度因子）判斷建筑結(jié)構(gòu)的損傷位置，MAC表示了兩組模態(tài)振型的相關(guān)程度，MAC值用于識別每個子結(jié)構(gòu)中的損傷，為0時損傷較大，為1時一致。但是通過振型比較對于局部損傷較為敏感的高階模態(tài)的準(zhǔn)確率較低。因此，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，各類改進(jìn)的損傷識別理論被提出。

朱宏平利用建筑結(jié)構(gòu)自振頻率較低及環(huán)境激勵下結(jié)構(gòu)響應(yīng)信噪比低的特點，運用小波變換降噪處理，抑制原始信號的噪音部分（高頻）。徐飛鴻通過構(gòu)建柔度相對變化率矩陣，并對其進(jìn)行差分處理，得到其曲率矩陣，并將每列絕對值最大值作為損傷識別指標(biāo)。羅姍姍等對某網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，并將損傷前后的模態(tài)曲率作為損傷指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)小波變換，從而判斷損傷位置。張力通過砌體結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)參數(shù)，結(jié)合差異演化算法對砌體結(jié)構(gòu)層間剛度進(jìn)行識別。孫紅躍以框架建筑的固有頻率的變化為基本參數(shù)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而得到建筑結(jié)構(gòu)損傷識別的方法。

3結(jié)語

基于模態(tài)參數(shù)的建筑結(jié)構(gòu)損傷識別的研究工作進(jìn)展迅速，有效的提高了準(zhǔn)確性和可靠度，但是由于建筑結(jié)構(gòu)的損失與其成因之間又較復(fù)雜的關(guān)系，且影響因素的不確定性和隨機性較大。在運用模態(tài)參數(shù)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別的時候還要進(jìn)一步減少測試信號的誤差，并且提高抗干擾能力，提出綜合的損傷判定標(biāo)準(zhǔn)。