新型的桥梁结构损伤与诊断方法

李孝卿

重庆交大建设工程质量检测中心有限公司 重庆南岸 400060

摘要：现在很多结构都安装了监测系统，自动损伤识别是桥梁健康监测系统的核心技术和热点研究问题。文章介绍了结构损伤的识别方法,包括动态法、静态法、有模型法、无模型法、位移法、应变法以及BP和RBF神经网络法的比较。目前健康监测系统尚不具备损伤识别能力。如何设计一个高效的用于结构损伤识别的自动损伤识别系统,是个值得研究的问题。

关键词：结构损伤与诊断、识别方法、自动识别

0引言

目前我国通过检测单位通过定期对结构的损伤进行检测，来达到对结构损伤程度和预估剩余寿命的预估，进而判断结构的损伤程度。大多检测单位多是停留在观测外观并不能够探测到详细的结构损伤程度，因此，怎样的探测出结构的具体损伤位置、程度，进而找出原因修复是很重要的过程。因此识别方法显得格外重要。

1结构损伤识别的问题主要有几个层次

结构损伤分为大致三个层次：第一，判断结构是否有损伤在以往的研究当中，结构探测问题已经发展得相当成熟了，判断结构损伤的方法有局部和全局探测方法。探测一个结构是否有损伤主要根据相关的数据、指标进行分析，如果超过某个指标则结构存在损伤。这一问题关键点在于怎样通过相应的测试来得到精确的结论。第二，如果结构有损伤判定结构损伤的具体位置确定结构存在损伤后，我们需要确定损伤的具体位置在结构的那个部位，所以第二阶段是损伤识别的基础。根据测试中数据、指标来确定这个部位存在损伤与否，进而找到这些损伤的位置，难点在于我们通过什么样的方法能够准确精确的确定损伤的具体位置。第三，确定结构损伤位置之后，确定损伤的程度找到结构当中损伤的具体位置之后，我们应该来确定损伤的具体程度。判定一个结构的具体损伤程度我们主要依据测试仪器中的指标来分析，如果超过某个极限指标则此部位严重损伤，通过所以损伤位置的测定之后，综合评估此结构的损伤程度。在这一阶段当中关键问题是通过已有的数据怎样判断结构损伤的程度。第四，根据结构损伤的程度来确定结构剩余使用时间此阶段是在前面三个阶段都进行得顺利的情况下进行，所以此阶段最为重要。计算结构的剩余寿命，用设计寿命减去损伤所失去的寿命减去已使用的寿命。我们怎样去判断这个结构因为损伤失去了多少寿命呢？我们需要一个准确的指标，所以这一问题是我们进行换算过程中的难点。

2结构损伤的识别的方法

目前而言，结构损伤有全局和局部方法。结构损伤局部识别方法主要有以下几种：外观目测法、光干涉法、超声检测法。局部检测法首先需要大致了解受损失位置所在，这些位置必必须容易检测到，持续时间长。因此，检测所花费的费用也比较高，检测过程进行当中会造成结构不能使用，局部检测方法在实践工程当中因为受到限制所以使用不广泛。全局识别方法有以下几种方法：动力学方法、遗传算法、神经网络法、模型修正法。全局识别方法主要适用于已知部分信息的条件下，能够对结构损伤部位精确定位，有很高的精度及其稳定性。相比较于局部识别方法全局识别方法更加经济。

3基于结构动力学方法的分类

国内外对于结构振动特性研究近些年来十分热，它通过对结构动力特征来分析，进而探测整体结构的损伤。主要对比结构的实测状态和理想的状态，完成损伤评估。主要有以下方法。①基于固有频率变化的损伤探测。频率反应了结构整体动态特性，即可以利用结构频率作为探测结构损伤的方法，主要利用相同频率下的敏感性不同。固有频率的探测精度和准确度都比较高，相应的有优点即有缺点，难以使用片段频率获取损伤信息，高频比低频更敏感，对于一些复杂且大型的结构建筑物难以进行识别。②基于振型变化的损伤探测。振型变化探测通过多年研究，表明，振型只能判断结构是否发生了损伤，而不能准确精确的定位损伤发生的位置，不能判断结构损伤位置那么也就不能判断结构损伤到何种程度。进一步的研究通过振型和敏感性矩阵逆的乘积来判断损伤，再通过损伤特征匹配的技术探测具体位置，这种方法不需要原始信息，更加方便。但是需要原始刚度和质量矩阵，任意的模态都可以。③基于残余力向量的损伤探测。此方法的损伤探测对于定位出具体位置很方便，省略掉了不健康时候的刚度和质量矩阵对于结构的影响，需要知道结构健康体系中的刚度、质量的参数矩阵，能够成功的对损伤产生的精确位置找出来。④基于结构柔度矩阵的损伤探测。结构柔度系系数会随着结构变形和损伤产生变化，所以柔度系数可以判断此结构是否发生了损伤。柔度系数有其优点，第一，高阶性的模态非常难确定，而不能得到刚度矩阵。刚度矩阵是柔度矩阵的逆矩阵，振型频率增大导致柔度的减小，所以很容易确定柔度矩阵。第二，柔度矩阵不会因为质量的变化产生影响。第三，特别适用于高度应变的范围。

4结构的智能识别方法

结构损伤的智能方法随着网络的发展逐渐趋于发展成熟，主要有下列几种方法：①损伤探测的神经网络方法。

神经网络方法是主要内容：由于神经系统是一个相对错综复杂的一个网络系统，它需要训练才能获取相应的信息。所以对此系统进行训练，获得相关信息，系统将这些信息储存于神经元当中。将相应的数据输入此系统当中，神经对此数据有反应、有敏感，有相应的一个输出结果。如果没有损失那么系统和网络输出相同，如果有差异那么这个差异就是一个损失值。②损伤探测的遗传算法。遗传算法是在达尔文自然选择法和遗传理论的遗传算法，遗传算法主要根据遗传的自己组织、自己适应、自己学习的能力，适应环境的变化做出的反应。主要通过编码、进化、交叉和变异物种操作来实现目标函数的最优化。③基于压电阻抗的结构损伤检测方法。压电阻抗探测首先通过对于结构的不同信号进行相关处理，再对加噪信息进行仿真处理，硬件部分主要对信号产生、电压电流以及数字信息进行处理。一旦结构发生损伤，其刚度将减少，必然引起结构机械阻抗的变化。所以通过检测粘贴在结构表面的自动传感器的电导纳的变化，就可以实现结构损伤检测的目的。

5结构损伤的最新方法

目前用于结构损伤识别的新方法主要有：①利用振动模态进行结构损伤识别。振动模态下的模态型和真正的有差别，采用有损伤下的结构分析判断出损伤，这样的分析方法有明显的误差，损伤位置的确定避免采用分析整体刚度阵与质量阵的识别算法，以及采用模型来进行分析的质量矩阵不同于刚度矩阵的识别算法。如果只采用质量矩阵的算法却不用刚度矩阵的算法。最后运行优化下的模态来进行计算损伤程度，接着用数值算例验算上述方法的效果。②基于模糊神经网络和证据理论的结构损伤识别新方法。为了更多的利用结构健康监测下测得的有关数据,增大损伤识别的效率、准确性,通过构造模糊神经网络分类器,找出了一种关于概率赋值于函数和系统相互结合的损伤探测方法.该损伤探测方法，第一，对数据预加工处理,提取有效的特征参数,第二，将它输入FNN,形成FNN分类器,最后，运行数据融合中的D-S公式理论计算出系统融合输出结果.③基于二次刚度修正的结构损伤识别新方法。二次刚度修正方法采用探测出的损伤结构的n阶频率和振型,修正健康的理论下的模型,保证对模型修正后的n阶频率和振型与实际探测出的损伤结构的n阶频率和振型基本一致;再用优化后的模型刚度矩阵和损伤结构刚度矩阵差值的范数最终达到极限优化目标,确保优化后有限元模型刚度矩阵的临界性和频率有界性的前提下，进行优化使其达到优化目标,通过迭代方法计算结果,使修正后有限元模型刚度矩阵达到损伤结构刚度矩阵一个最优优化情况。

参考文献：

[1]邓焱，严普强．桥梁结构损伤的振动模态检测[J]. 振动、测试与诊断. 1999,19(3):157-163.

[2]董聪，丁辉，高篙．结构损伤识别和定位的基本原理与方法[J]．中国铁道科学.1999,20(3):89-94.