淺談水工近況及結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識理論

郜迪+張金

摘 要：水工建筑物結(jié)構(gòu)的安全問題關(guān)乎全國人民的幸福、國家的興旺以及民族的復(fù)興。只有把它控制在對人類有利的范圍內(nèi)，我國才能繼續(xù)前行。因此，結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識方法就需要大眾了解并很好地運(yùn)用。只有這樣達(dá)到實(shí)時(shí)檢測水工結(jié)構(gòu)，才不會給危害留有一點(diǎn)機(jī)會。

關(guān)鍵詞：水工建筑物結(jié)構(gòu)；模態(tài)參數(shù)；激勵(lì)；損傷；健康監(jiān)測；辨識方法

我國水能資源居世界首位，開發(fā)的重點(diǎn)在西南的金沙江和大渡河等干支流以及西北的黃河上游，這些河流具有高水頭、狹窄河谷、大流量、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。在這些地方修建高壩大型水庫，其泄洪能力往往是很大的，能夠達(dá)到國外同類工程的幾倍甚至幾十倍。因此，一個(gè)重要的問題擺在面前：那就是大型水利工程結(jié)構(gòu)泄流安全問題，這也是我國水利水電工程建設(shè)中急需要解決的難題，且國外沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以直接借鑒。水利工程的安全問題是我國每個(gè)人都非常關(guān)心的問題，因?yàn)樗婕暗矫總€(gè)人的人身安全。為了保障水電站大壩的安全和對它進(jìn)行時(shí)刻監(jiān)控，國家統(tǒng)一對大壩的安全狀況進(jìn)行定期抽樣檢查，定檢結(jié)果如下：一直到1999年年底，我國已有30413座大壩存在一定問題，從1999-2002年，垮壩達(dá)245座；在我國以發(fā)電為主的130多座水電站大壩中，存在9座病險(xiǎn)大壩，對附近的人民幸福生活存在很大隱患。經(jīng)過仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，這些病危大壩存在的主要問題是由多次洪水沖刷、施工質(zhì)量不過關(guān)、工程設(shè)計(jì)的不是很完善、運(yùn)行管理的松懈以及檢測不到位等問題引起的。其中，高混凝土壩存在裂縫等安全問題，也需要同等的檢測保養(yǎng)。

通過以上的一系列問題可以看出，我國水工建筑物結(jié)構(gòu)安全問題存在很大隱患，有各種問題急需解決。尤其是始建于20世紀(jì)五六十年代的大壩和水庫，由于那時(shí)技術(shù)有限、著急趕工期等因素，對建筑物的設(shè)計(jì)不是很完善。加上施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及管理松懈、監(jiān)管不到位等原因，使得水工建筑物在很多部位都存在著一定的破損。再過幾十年，將會有大量水工建筑物達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生一系列問題。如果這些問題不能得到有關(guān)部門的及時(shí)處理，任由其破損下去，會對附近及整個(gè)國家產(chǎn)生極大損失，人民的幸福生活也得不到保障，我國的生態(tài)環(huán)境和我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力都會相對程度地削弱。這是所有人都不想看到的，所以對其進(jìn)行檢修勢在必行。

我國已經(jīng)注意到這些問題的嚴(yán)重性，已采取一系列措施來改善水工建筑物的安全問題。需要想的是，如何通過一定的措施，水工建筑物安全健康狀況的評估和監(jiān)控更加合理化和科學(xué)化。要對病危的建筑物進(jìn)行修復(fù)，以保證其能夠繼續(xù)安全運(yùn)行下去，這是重中之重的問題，也是需要我們盡快解決的。

在研究重大結(jié)構(gòu)災(zāi)變行為和健康監(jiān)測時(shí)，首先遇到的關(guān)鍵問題之一，就是正確地辨識或監(jiān)測結(jié)構(gòu)工作的特性。可以把水工建筑物結(jié)構(gòu)的模態(tài)辨識分為兩部分：一是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識，其工作原理主要是用結(jié)構(gòu)物件振動的輸入和輸出數(shù)據(jù)來辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，主要的分析方式是依據(jù)單輸入和單輸出頻域分析方法，或者依據(jù)多輸入和多輸出的頻域分析方法；二是環(huán)境激勵(lì)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識，此原理主要是把環(huán)境激勵(lì)作為結(jié)構(gòu)的輸入，通過結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù)和部分輸入數(shù)據(jù)，或僅利用輸出數(shù)據(jù)來辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，環(huán)境激勵(lì)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析方法主要應(yīng)用于正在處于工作狀態(tài)的水工建筑物結(jié)構(gòu)。

1 傳統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)辨識方法

傳統(tǒng)水工結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)試驗(yàn)一般主要是沖擊錘激振方法，這個(gè)方法運(yùn)行不復(fù)雜，方便實(shí)施。為了能達(dá)到一定的精確度，該方法還要結(jié)合測量結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)。只要是通過對結(jié)構(gòu)的激勵(lì)和響應(yīng)信號在頻域內(nèi)進(jìn)行同步分析和處理得到的傳遞函數(shù)，就可以進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，得出結(jié)論。

由于水工結(jié)構(gòu)模型是按原水工建筑物一定比例尺縮小的模型，結(jié)構(gòu)剛度相對來說小，這個(gè)方法的精度比較高。尤其是在一些其他領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，得到了普遍的認(rèn)可。另外，就大型水工結(jié)構(gòu)的原型動力試驗(yàn)來說，其主是要研究建筑物結(jié)構(gòu)的某一特定性能在特定的條件下進(jìn)行的一系列特定的試驗(yàn)。

2 環(huán)境激勵(lì)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法

環(huán)境激勵(lì)下的工程結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識，國內(nèi)外有相應(yīng)的發(fā)展過程，國外的相對來說研究的較早。早在20世紀(jì)60年代，Clarkson B. L.等通過相關(guān)函數(shù)分析隨機(jī)激勵(lì)下小阻尼結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，Crawford R.等運(yùn)用環(huán)境激勵(lì)對樓房進(jìn)行了具體的分析。在接下來幾十年的發(fā)展中，隨著其他的方面迅猛發(fā)展，環(huán)境激勵(lì)法也取得了一定的發(fā)展，在其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。為解決工程上的問題提出的一系列辨識方法，環(huán)境激勵(lì)方法又進(jìn)一步發(fā)展。

傳統(tǒng)的水工結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)辨識方法已經(jīng)在水工建筑物結(jié)構(gòu)分析中取得了大眾的認(rèn)可，但是傳統(tǒng)的方法也有一些避免不了的問題，一直困擾著大家。首先，在對水工建筑物進(jìn)行人工激勵(lì)時(shí)，由于操作起來難度較大，并且還需要高昂的設(shè)備以及專業(yè)的技術(shù)人員來操控，相對成本較高，并且它也有可能會影響建筑物的正常工作。這不僅耗費(fèi)大量的人力，其造成的經(jīng)濟(jì)損失也是不可估量的。其次，人工激勵(lì)的不確定性也非常可能對建筑物的結(jié)構(gòu)造成一定量的損傷。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的模態(tài)測試時(shí)，要對現(xiàn)場和道路進(jìn)行封閉。由于所謂的在線試驗(yàn)是根本達(dá)不到的目標(biāo)，因此也就無法對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這是一個(gè)非常重要的問題，它做不到對建筑物結(jié)構(gòu)的安全問題進(jìn)行檢測。

世間萬事萬物都有其利弊，傳統(tǒng)方法也是如此，它也有其有利的一方面。首先，只需要注意測試結(jié)構(gòu)在監(jiān)測情況下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，就可以辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，不需對結(jié)構(gòu)再次施加激勵(lì)，因?yàn)榧?lì)是未知的，所以僅需通過儀器對實(shí)測結(jié)構(gòu)在水流等激勵(lì)下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，就可以辨識出結(jié)構(gòu)的工作模態(tài)參數(shù)，這樣就能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控和實(shí)測，簡單和便捷。其次，是有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)樵摫孀R方法不需要額外施加人工激勵(lì)，基本全靠環(huán)境帶給結(jié)構(gòu)的激勵(lì)，省去了大量的人力和物力。這樣節(jié)省下來一大筆資金，可以減小預(yù)算，同樣對水工建筑物結(jié)構(gòu)不會造成必要的損傷。最后，通過在環(huán)境激勵(lì)的情況下，用對建筑物結(jié)構(gòu)實(shí)測的數(shù)據(jù)來辨識結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠辨識由于環(huán)境激勵(lì)引起的模態(tài)參數(shù)變化。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對由于無法施加人工有效激勵(lì)、從而無法辨識這些結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的傳統(tǒng)方法而言，是一大特點(diǎn)。通過其解決了一系列工程上的疑難雜癥，取得了大眾的認(rèn)可。

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