基于确定性的结构损伤识别方法研究进展.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.007基于确定性的结构损伤识别方法研究进展RECENT ADVANCES IN STRUCTURAL DAMAGE IDENTIFICATION METHODS BASED ON CERTAINTY任现才1，孙伟明1，葛福冲1，柴山清1，杨乐华2（1.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000；2.聊城市孟达建筑安装工程有限公司，山东 聊城 252000）REN Xiancai1,SUN Weiming1,GE Fuchong1,CHAI Shanqing1,YANG Lehua2（1.School of Civil Engineering，Liaocheng University,Shandong Liaocheng 252000,China;2.Liaocheng Mengda ConstructionInstallation Engineering Co.,Ltd.,Shandong Liaocheng 252000,China）【摘要】由于结构在使用期间受到自身因素和外界因素的影响，必然会产生各种各样的损伤，从而导致结构发生破坏，甚至倒塌，严重时还会威胁到人民的生命安全。因此，对结构进行损伤识别的研究具有十分重要的意义。目前在结构损伤识别方面，国内外学者取得大量的优秀成果。文中主要介绍并讨论了确定性的结构损伤识别方法的优点和不足之处，并对进一步研究的问题和结构损伤识别方法的发展趋势进行了展望。【关键词】确定性；损伤识别；动力指纹【中图分类号】TU312【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0029-05Abstract：Damage to the structure or even collapse is derived from a variety of damage as the structure is affectedby its own factors and external factors during usage,which may threaten peoples lives in serious cases.Therefore,the research on damage identification of structures is of great importance.At present,researchers achieve a lot of excellent goals in structural damage identification.This paper introduces and discusses the advantages and shortcomings of deterministic structural damage identification methods,and gives an outlook on the problems to be furtherstudied and the development trend of structural damage identification methods.Key words：certainty;damage identification;dynamic fingerprint0引言结构在使用期间受到自身因素和外界因素的影响，不可避免的出现各种各样的损伤，从而导致结构发生破坏甚至倒塌严重时还会威胁到人民的生命安全。如何能及时的发现结构的损伤位置并判断损伤程度是众多学者研究的热点课题1-3。近30年来，国内外学者对结构损伤识别问题进行了大量的研究，并取得了显著的进展。目前常用的损伤识别方法主要有局部法和整体法两种。局部法主要有超声波法、电磁波法、x射线法等局部检测方法和目测法。局部法需要了解损伤的位置和附近区域，并根据损伤位置携带相应的检测工具。但对大型结构进行整体检测时比较困难。因此，开展适合于大型复杂结构的整体损伤识别方法的研究就显得更有意义，而事实上学者们研究最多的也是整体损伤识别方法4。文中主要介绍并讨论了确定性的结构损伤识别方法，并介绍了其优点和不足之处，最后对有待进一步研究的问题和结构损伤识别方法的发展趋势进行了展望。1结构损伤识别方法研究及分类在结构损伤的诊断中，主要研究了损伤在时间和空间上的定位，以及损伤程度的判定。基于此，国内外发展了多种损伤识别方法。如图1所示，分为基于动力指纹的识别方法、基于模糊修正的识别方法、基于小波变换的识别方法和基于神经网络的识别方法。1.1基于动力指纹的识别方法结构损伤会改变其物理参数，从而在一定程度上使其动力指纹发生改变。通过对损伤前后的动力指纹进行分析，可以确定结构损伤的位置和程度。常见的损伤指标如下。1.1.1基于固有频率变化的损伤识别方法图1结构损伤识别方法分类损伤识别方法固有频率振型及衍生量模态应变能柔度矩阵频响函数矩阵型修正法参数型修正法基于模型修正的识别方法小波变化与其它方法结合小波分解后能量变化小波系数及模极大值基于小波变换的识别方法径向基神经网络BP神经网络基于神经网络的识别方法基于动力指纹的识别方法29低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300在结构模态参数测试中，最容易得到固有频率，且具有较高的测量精度。之所以采用固有频率的变化来识别结构损伤，是因为损伤会引起结构刚度的改变，从而引起自振频率的改变。杜思义等5将摄动理论与振动理论相结合，实现对连续梁桥的损伤位置和程度的准确识别。刘文光等6基于固有频率及振型随振幅变化的假设，推导了呼吸裂纹梁的固有频率方程，并用数值仿真和试验分析进行验证。贾九红等7实现了基于固有频率变化率的小支管裂纹识别，识别准确率较高。然而，固有频率是一个全局变量，尤其是在对称结构中，由于损伤位置的不同，其频率也会发生相同的变化。因此，采用固有频率进行结构损伤识别存在较大的限制。1.1.2基于振型及其衍生量变化的损伤识别方法由于模态振型中含有更多的损伤位置和空间信息，根据对振型的微分，可以推导出曲率模态、应变模态等其它损伤指标。He等8以悬臂梁为例，利用有限元模拟和试验验证了曲率模态差指标能判断出结构的破坏位置及破坏程度。任现才等9研究了固有频率、曲率模态和曲率模态差3种指标对木梁损伤的敏感性，并对木梁进行了数值模仿分析，在此基础上，分析了噪声污染和网格疏密等因素对一阶曲率模态差指标识别精度的影响。综上所述，振型及其衍生量指标对结构局部损伤较为敏感，但是在实际应用中，由于测量模态不完整以及噪声的存在，会对方法造成一定影响。同时，由位移振型中心差分法求出的曲率模态和应变模态，这对传感器的测量精度和测点布置都有很高的要求。1.1.3基于模态应变能的损伤识别方法在结构发生损伤时，损伤位置刚度将下降，而模态应变能的大小与其刚度、模态振型等有关。由于模态应变能对结构损伤具有较高敏感性，因此可以作为一种较好的损伤识别指标。Zhang10针对单层网壳结构复杂的力学机理和模态特性问题，在原模态与组合模态的模态应变能差基础上，提出了组合模态应变能指标，并以单层网壳结构为数值算例，验证了所提方法与传统方法相比具有较高的损伤定位精度和较好的测量噪声鲁棒性。Wang11针对高桩码头的传感器布置和桩身模态形状的特点，提出了模态应变能残差的概念，并拟合了模态应变能残差与构件损伤程度之间的定性和定量关系，从而确定了结构的损伤位置和程度，并对高桩码头进行了有限元仿真和模型试验分析，验证了方法的准确性。然而，在实际应用中，由于噪声、建模误差和外界环境的影响，都会对这类指标的识别效果产生一定的影响。1.1.4基于柔度矩阵的损伤识别方法由于柔度矩阵与刚性矩阵的互逆性，结构损伤导致刚度降低从而使得柔度增大，从而指标能够对结构进行损伤判别。李永梅等12对柔度矩阵差的列、行先后进行二次差分计算得到柔度差曲率矩阵，然后提取对角元素构成列向量作为损伤指标，并对不同类型的支撑梁进行了不同损伤位置、损伤数量和损伤程度的识别。杨秋伟等13系统的总结了基于柔度变化的损伤识别方法。Jung等14针对均匀荷载面曲率差对结构附近的损伤不敏感的问题，提出了一种适用于识别结构局部损伤的归一化均布载荷面曲率法，通过对简支梁结构的数值模拟和试验分析，证明了所提方法能较好地识别出结构的损伤位置，并且对噪声的抗干扰能力较强。综上所述，柔度矩阵类指标对损伤具有较高的敏感性，同时试验测试数据获取简单，仅需要对低阶模态进行构造。因此尽管在数值模拟或者实验室简单的梁板类模型中可应用成功，但是在实际结构测量中不可避免存在噪声干扰、测试误差等因素，对数据处理方面很难满足精度要求。1.1.5基于频响函数的损伤识别方法频响函数在试验中可以直接测得，测试精度高，同时包含的损伤信息较多，因此得到了广泛的应用。郭惠勇等15针对在现场测试中提取频响函数不完整的问题，提出了一种先定位后定量分析的两阶段损伤判别方法，并以二维网架为研究对象验证了所提方法的有效性。赵琪16提出了一种基于频响函数的损伤识别方法，并以一平面框架为研究对象验证了方法可以较好地判断结构的损伤位置和损伤程度。刘景良等17根据归一化频响函数曲率差法，对螺栓的松动位置进行了识别，从而有效地解决了采用频率响应函数曲率无法判别螺栓松动的问题，并以钢-木组合结构为例进行了仿真计算，结果表明所提出的损伤识别方法是可行的。综上所述，利用频响函数进行结构损伤识别时，在不需要进行有限元分析的情况下，可以直接采用现场实测得到的频响函数来进行结构的损伤识别。然而，方法需要传感器布置在结构损伤附近且对传感器精度要求较高。1.2基于模型修正的损伤识别方法这种方法是一种具有代表性的动力学反问题。模型修正的分类准则较多18，文中将根据修正对象分30类，介绍当前的研究现状及存在的问题。1.2.1矩阵型修正法矩阵型修正法通常可以分为结构矩阵的全元素修正法、子结构矩阵校正因子修正法和结构矩阵的非零元素修正法19。Baruch等20较早的开展了矩阵修正的方法。由于采用方法会对使结构修正后矩阵失去稀疏性、对称性，物理意义不明确，因此近年来，很少有学者对其进行研究。1.2.2参数型修正法参数型修正方法是直接对物理参数（如弹性模量、密度、截面尺寸等）进行修正，具有较好的建模误差判断能力，计算效率较高，因而得到了广泛应用21。其实质是通过提取有限元模型模拟的指标和实测后的指标来建立误差函数，然后再通过优化算法的反复迭代优化物理函数取值，从而使误差函数的影响达到最小化以实现修正的目的。一般采用模态参数（固有频率、振型及模态参数衍生量）、频响函数或时域响应来建立目标函数。（1）基于模态参数的参数型修正法。模态测试中的频率和振型容易测量，是最常用的模型修正判别指标22。方法绝大多数基于灵敏度分析技术，并在工程中取得了一定的应用。郭杏林等23通过对楼板和框架结构进行试验算例分析，对直接模型修正进行了改进，同时也证明方法具有简单、稳定的优点。Yan等24基于单元模态应变能灵敏度的封闭形式，提出了一种损伤的统计判别算法，并用简支梁模型进行了检验，证明了这种方法可以有效地确定最可能的损伤单元。（2）基于频响函数的参数型修正法。采用频响函数的参数型修正法，可以直接利用实测频响函数进行修正，从而克服了模态分析所造成的误差。其中频响函数可以是位移、速度或加速度。殷红等25采用将频响函数与结构损伤识别相结合的方法，通过对平面桁架进行数值模拟分析，表明方法可以有效识别结构损伤位置。Rahai26提出了一种基于奇异值分解不完整频响函数测量数据的灵敏度模型修正方法，通过对二维桁架进行仿真分析和对混凝土梁进行数值仿真和试验分析，结果表明方法对小损伤和多损伤具有较高的敏感性。（3）基于时域响应的参数型修正法。基于时域响应的有限元模型修正以实测响应数据及其衍生量为目标函数，其中时域响应包括加速度、速度、位移等指标。Fu等27提出一种基于加速度响应灵敏度的有限元模型修正方法，并以悬臂板和两跨连续板为例对方法进行验证。Shahriar等28提出一种基于位移时程响应的灵敏度的模型修正方法，并对一桁架进行数值模拟分析，结果表明这种方法可以精确地确定结构的损伤部位和破坏程度。综上所述，基于参数型修正法虽然具有明确的物理意义，但它往往需要反复地进行优化，并多次调用有限元模型，因此需要大量的计算量。在工程实践中，尤其是需要修改的参数比较多的大型复杂结构，仍有一定的局限性。1.3基于小波分析的识别方法结构损伤是一种典型的局部现象，小波分析可以在时域和频域上实现对信号进行局部放大的功能，适用于对结构响应中其他方法不易察觉的局部损伤信息进行分析与识别。目前常用的小波分析的损伤识别方法包括：小波系数及模极大值的损伤识别、小波分解后能量变化的损伤识别、小波变换与其他方法相结合的损伤识别。1.3.1基于小波系数及模极大值的损伤识别廖锦翔等29根据奇异性能够描述信号的局部特征的原理，对带有裂缝悬臂梁的位移数据进行小波变换实现了结构的损伤定位。李旭娟等30实现了基于二维离散小波变换的结构损伤位置识别，方法利用Symlet4小波对结构位移振型数据进行离散小波变换，得到小波系数指标，通过对板的数值仿真和试验研究验证方法的有效性。以上方法要求收集建筑物的完整和损坏后的情况，这对已经使用多年的建筑物来说是一项很大的挑战。因此，孙增寿等31运用提升小波变换技术，对提取移动荷载作用下结构的加速度响应信号进行分析，并利用提升小波变换系数的峰值来判断结构的损伤部位，并以一简支梁为数值算例进行验证，结果表明方法可以识别结构损伤位置。1.3.2基于小波分解后能量变化的损伤识别肖本林等32综述了小波包能谱损伤指标在结构健康监测和损伤识别方面的研究进展，并对目前存在的问题和今后的发展趋势进行展望。刘习军等33提出采用小波包能量曲率差来识别简支梁的损伤识别方法，在此基础上，针对测点的稀疏程度，给出了分步识别的步骤，结果表明方法具有良好的识别效果。1.3.3基于小波变换与其他方法相结合的损伤识别孙磊34为了解决曲率模态在小损伤识别方面的不足，提出了将损伤前后的曲率模态进行连续小波变换，并对相应的小波系数进行作差处理，从而得到小波系数差指标，通过简支梁和连续梁的数值算例对方法进行验证。Bao等35以简支梁为研究对象，将结构损伤前后曲率模态进行连续小波变换，得到小波系数差指标来识别结构损伤位置和程度，通过简支梁的仿31低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300真分析和试验验证指标的有效性。1.4基于神经网络的识别方法人工神经网络最初是一种模仿人大脑功能的方法，它是由许多简单的神经处理单元构成，无需建模，具有很好的容错性、鲁棒性、学习联想能力等特点，因此成为结构损伤识别研究的热点。常见的神经网络损伤识别方法主要分为以下两种。1.4.1基于BP神经网络的损伤识别BP神经网络是一种按照误差反向传播进行训练的多层前馈网络，是最常用的一种神经网络模型。孙宗光等36基于对斜拉桥结构进行损伤识别仿真模拟，通过频率和振型输入到BP网络来实现对于构件损伤程度判断。包龙生等37将曲率模态作为基本数据输入到神经网络，通过建立输入与输出的非线性映射关系，实现对结构损伤程度的评估，并通过简支梁和连续梁的有限元仿真验证方法的有效性。1.4.2基于径向基神经网络的损伤识别径向基函数（RBF）神经网络在某种程度上可以解决BP网络存在局部极小、收敛速度较慢以及对损伤识别结果影响较大的问题。饶文碧等38将RBF神经网络应用到简支梁结构的损伤识别中，结果表明方法能够准确地判断出损伤的部位和破坏程度。杨杰等39针对RBF网络的过拟合问题，提出了一种改进的RBF网络学习算法，并用于悬索桥上的吊索进行损伤识别。邢哲等40通过频率平方变化率和位移振型结合作为参数输入到RBF网络中，并采用二阶段损伤识别方法，实现了对于结构损伤位置和程度的判别。1.5基于确定性的损伤识别方法优缺点目前，基于确定性的损伤识别方法种类繁多，并且各具特点。然而，因本身的构造形式、测试环境因素等原因，这些方法不可避免地会有一些不足之处，如表1所示。表1基于确定性的损伤识别方法优缺点参数指标基于动力指纹基于模型修正基于小波分析基于神经网络代表方法固有频率、振型及其衍生量、模态应变能、柔度矩阵、频响函数等矩阵型、参数型小波变换、小波系数、小波分解等BP神经网络、径向基神经网络优缺点优点：易于进行参数分析，无需对数据进一步提取，可直接用测量数据分析。缺点：忽略的影响因素较多，曲线拟合、二阶差分等引起数据误差较大。优点：具有明确的物理意义，对损伤位置和程度敏感性较大。缺点：需要反复进行优化，对复杂结构有一定局限性。优点：不需要进行频率变换，对结构损伤位置和程度敏感。缺点：信号比较复杂，噪声影响比较明显。优点：具有较好的学习联想能力，适用于损伤程度判断。缺点：在某种程度上收敛速度较慢，对识别结果影响较大。2研究存在问题分析基于确定性的结构损伤识别方法在近几十年来得到了很大进展，但在大型工程中的应用仍有一定差距。目前还有一些问题亟待解决。（1）目前大部分损伤识别方法都要以原始的有限元模型为参考依据，而目前许多结构都不存在这些原始数据，这样也给损伤识别造成了一定的困难。（2）现有的大部分损伤识别方法无法检测出结构微小损伤，因此，研究出一种可以识别出结构微小损伤的损伤识别方法是当前亟待解决的问题。3应用展望文中阐述了基于确定性的结构损伤识别方法，重点讨论了各方法的优缺点，就现在损伤识别方法的研究发展水平来看，仍然存在几个尚未解决的问题：（1）减小误差，重点是建模误差及传感系统优化和环境去噪等。（2）消除对原始模型和数据的依赖性，在实际工程中多数情况下都无法获取损坏前的结构模型信息。（3）制定结构健康检测领域统一标准，目前损伤识别方法众多且已经取得一定的成效，但对这些方法缺少相关统一标准，这也使认识上难以达成统一。4结语通过以上研究可以看出，国内外学者对于确定性结构损伤识别方法进行了大量的研究，并取得了一定的成果，相关结论如下：（1）由于实际结构损伤过程中会出现很多不确定性因素，造成损伤和特征关系的不确定性，这也给损伤识别带来了困难。（2）损伤具有明显的局部化、多样性等空间特征，而目前许多损伤识别方法仅限于数值模拟和实验室模型，在实际工程中难以合理有效的实现。（3）目前，基于未知输入的结构损伤识别已经发展了多种方法，而在实际工程中，输出响应和结构参数也存在不完整的情况，这也需要我们发展更优秀的损伤识别指标。参考文献321 王娟，杨庆山.藏式古建筑木结构损伤识别的数值模拟 J.振动.测试与诊断，2014，34（1）：160-167.2 王鑫.地面交通激励下古建筑影响及古木结构损伤识别研究D.西安：西安建筑科技大学，2015.3 胡卫兵，杨佳，王龙，等.基于层合理论和误差反向传播神经网络的古建筑木结构损伤识别和量化研究 J.工业建筑，2020，50（11）：71-77.4 赵一男，公茂盛，杨游.结构损伤识别方法研究综述 J.世界地震工程，2020，36（2）：73-84.5 杜思义，殷学纲，陈淮.基于频率变化识别结构损伤的摄动有限元方法 J.工程力学，2007（4）：66-70.6 刘文光，郭隆清，贺红林，等.基于固有频率的呼吸式裂纹梁损伤识别方法 J.中国机械工程，2017，28（6）：702-707.7 贾九红，蔡晓涛，刘天阳，等.一种基于固有频率的小支管裂纹损伤评价方法 J.噪声与振动控制，2019，39（6）：176-180.8 HE M H,YANG T,DU Y.Nondestructive identification of composite beams damage based on the curvature mode difference J.Composite structures,2017,176:178-186.9 任现才，孟昭博，王鑫.基于模态参数的简支木梁损伤识别研究 J.江苏建筑职业技术学院学报，2022，22（2）：5-9.10ZHANG Y J,LUO Y F,GUO X N,et al.A new damage detectionmethod of single-layer latticed shells based on combined modalstrain energy index J.Mechanical systems and signal processing,2022,172:109011.11 WANG N,ZHU R H,WANG Q M,et al.A method for quantitative damage identification in a high-piled wharf based on modalstrain energy residual variabilityJ.Ocean engineering,2022,254:111314.12李永梅，周锡元，高向宇.基于柔度差曲率矩阵的结构损伤识别方法 J.工程力学，2009，26（2）：188-195.13杨秋伟，刘济科.工程结构损伤识别的柔度方法研究进展 J.振动与冲击，2011，30（12）：147-153.14 JUNG H Y,SUNG S H,JUNG H J.Experimental validation ofnormalized uniform load surface curvature method for damage localization J.Sensors,2015,15(10):26315-26330.15郭惠勇，李正良.基于不完备频响函数的结构多损伤定性和定量识别 J.工程力学，2007（4）：13-17.16赵琪.基于频响函数的框架结构损伤识别研究 D.河北：河北大学，2017.17刘景良，陈飞宇，郑文婷，等.基于归一化频响函数曲率差的钢-木组合梁螺栓松动定位方法 J.铁道科学与工程学报，2020，17（2）：451-459.18梁鹏，李斌，王秀兰，等.基于桥梁健康监测的有限元模型修正研究现状与发展趋势 J.长安大学学报（自然科学版），2014，34（4）：52-61.19洪彧.基于振动信号的桥梁结构模态参数识别与模型修正研究 D.四川：西南交通大学，2019.20 BARUCH M,ITZHACK B.Optimal weighted orttiogonalizationof measured modes J.AIAA Journal,1978:16(8):927-928.21翁顺，朱宏平.基于有限元模型修正的土木结构损伤识别方法J.工程力学，2021，38（3）：1-16.22SHANKAR S,HARMESH K.Structural dynamic model updatingtechniques:a state of the art review J.Archives of computational methods in engineering,2016,23(3):515-533.23郭杏林，高海洋.一种基于振型正交化的元素型模型修正方法J.振动与冲击，2011，30（6）：5-9.24 YAN W J,REN W X,HUANG T L.Statistic structural damagedetection based on the closed-form of element modal strain energy sensitivityJ.Mechanical systems and signal processing,2012,28(2):183-194.25殷红，马静静，董小圆，等.基于频响函数的结构损伤识别模型修正方法 J.噪声与振动控制，2019，39（2）：7-13.26RAHAI M,ESFANDIARI A,BAKHSHI A.Detection of structural damages by model updating based on singular value decomposition of transfer function subsetsJ.Structural control andhealth monitoring,2020,27(11):2622.27 FU Y Z,LU Z R,LIU J K.Damage identification in plates usingfinite element model updating in time domainJ.Journal ofsound&vibration,2013,332(26):7018-7032.28 SHAHRIAR B,AKBAR E.A novel sensitivity-based finite element model updating and damage detection using time domain response J.Journal of sound and vibration,2022,537(1):117187.29廖锦翔，袁明武，张劲泉.小波变换在桥梁结构损伤识别中的应用 J.公路交通科技，2004（11）：30-34.30李旭娟，缪炳荣，史艳民，等.基于小波方法的板结构损伤识别研究 J.机械强度，2018，40（1）：177-182.31孙增寿，张耀，王希东.基于运营环境和提升小波变换的桥梁损伤检测研究 J.防灾减灾工程学报，2014，34（6）：718-724.32肖本林，郑建强，邓友生.基于小波包分析的结构损伤识别研究进展 J.公路工程，2011，36（1）：36-40.33刘习军，陶宪坤，张素侠.基于小波包能量法的简支梁损伤仿真识别研究 J.系统仿真学报，2019，31（6）：1201-1207.34孙磊.小波分析在桥梁健康监测中的应用研究 D.西安：长安大学，2012.35BAO L S,CAO Y,ZHANG X W.Intelligent identification of structural damage based on the curvature mode and wavelet analysistheory J.Advances in civil engineering,2021(2):1-15.36孙宗光，高赞明，倪一清.基于神经网络的损伤构件及损伤程度识别 J.工程力学，2006（2）：18-22.37包龙生，曹悦，赵宁，等.BP神经网络和曲率模态理论在桥梁损伤识别中的应用 J.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2021，37（2）：296-302.38饶文碧，吴代华.RBF神经网络及其在结构损伤识别中的应用研究 J.固体力学学报，2002（4）：477-482.39杨杰，李爱群，曾捷.改进RBF网络及其在悬索桥吊索损伤定位中的应用 J.南京航空航天大学学报，2011，43（1）：110-114.40邢哲，崔维久，杨春贺，等.基于RBF神经网络的网架结构损伤识别试验研究 J.结构工程师，2019，35（4）：70-76.收稿日期2023-2-21作者简介任现才（1996），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：结构工程。33