土木工程结构健康监测的研究进展综述_周奎

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工业建筑 2009 年第 39 卷第 3 期
变化 。现有 很多损伤检测方法都是根据这 些参数而提 出的 , 文献[ 3-6] 对 这些方 法作 了较 为全面 的阐 述和评 价 。 宗周 红等[ 3] 从损伤诊断 、系统识别和模型修 正以及传 感器布置几 个方面对土木工程结构损伤研究进展进行了综述 ;Rytter[ 4] 在 其博士论文中将损伤识别分为四个递进层 次 ;第 一层次确定 结构中是否存在损伤 ;第二层次在第一 层次的基 础上确定损 伤的几何位置 ;第三层次在第二层次基 础上对损 伤的严重程 度进行量化 ;第四层次在第三层次基础 上预测结 构的剩余使 用寿命 。 Farrar 和 Worden[ 5] 将 损伤 识别 分成 5 个过 程 , 包括 SHM , 条件监测 , 无 损检 测评 估 , 统计 过程 控制 和损 伤预 测 。 Giraldo[ 6] 在 其博士论 文中 则将 损伤 检 测与 识别 分 成三 种类 型 :基于振动的方法 、基 于静力 的方 法以及 结构 的直 接检测 方法 。 由于结构健康监测多学科交叉的特 性 , 使 得严格分类 很困难也不科学 , 这里采用文献[ 6] 的分类方法进 行阐述 。 1 .1 基于结构振动损伤检测和识 别
综 述
土木工程结构健康监测的研究进展综述 *
周 奎1 王 琦1 刘卫东1 张 简2
(1.上海理工大学土木工程系 , 上海 200093;2.加州大学洛杉矶分校土木工程系 , 洛杉矶 CA90095)
摘 要 :对于大量进入老龄和维护期的土木工程结构 , 其安全 性倍受重 视 , 而 具有多 学科交 叉特点的 结 构健康监测技术则是支撑土木工程基础设施安全运行和 适时维护的 一个有力工 具 。 首先对 各种结构损 伤检 测方法和无线智能传感技术的最新研究成果进 行了回顾和评述 ;讨论了在 线结构健康 监测系统的 关键问题 ; 最后对结构健康监测和损伤检测领域今后的发 展方向进行了展望 。 关键词 :结构健康监测 ;损伤检测 ;振动参数 ;智能传感技 术
仅测量低频模态的好处 是不必 关心 某些结 构的 高频 成分导 致的非线性问题 。 该方法不需要分析模型 , 所有 的计算都是 直接从结构采集的试验数据进行的 。 Bernal[ 12] 提 出一种新的 基于柔度的损伤定位向量(DLV)的方法 , 该方 法理论 上是根 据刚度与损伤相关的位置查找柔度变化的 过程 , 在没有误差 时 , 该方法能从给定传感器设置情况下 以可达到 的最大分辨 率给出柔度变化 。 Gao 等[13] 进行 了基于 柔度 DLV 方 法的空
从测量数据中尽可能 多地 提取 结构损 伤信 息是很 重要 的 , 为 此 Yang[ 18] 提出 了两 种 方法 :一 种 基于 经验 模 态 分解 (EMD), 从测量数据中提取由于结 构刚度的突 然改变 导致的 损伤 峰值信 号 变 化 , 可 检 测到 损 伤 时 刻和 位 置 ;二是 基 于 EMD 和 Hilbert 变换 , 进行损伤时刻检查并确定损伤前后结构 的自振频率和 阻尼比 。 采用国际结 构控制协会(IASC-ASCE) SHM 任务小组的标 准测试(Benchmark)的 4 层钢 框架结 构模 型对 两种方法进行了验证 。Ma[19] 给出 了一种 在时域 内直接 采用 结构振动测量数据进行结构损伤检测 、定位和 量化的方 法 。 将多自由度结构系 统解耦为相互独立的 单自由度 系统 , 每个单自由度系 统仅 与特定 位置 或区 域的损 伤相 关联 。 损 伤严 重程度由传统的迭代方式进行估计 , 同时包含 了测量噪 声影响分析 。 Park[ 20] 也利用了文献[ 18] 所采用 的试验数 据 , 报道 了为检验在盲目模态 测试 中进 行结构 损伤 定位和 损伤 程度评估 的 数值 模拟 结 果 。 研究 显 示 , 利用 空 间剪 切 梁模 型 , 损伤指数法能精 确定位 框架 和楼层 损伤 ;损 伤结构 的有 限元模拟能提供 损伤 严重程 度的 估计 。 尽 管该 方法对 于损 伤的 数值模拟结果很好 , 但其有效性还 是有待于使 用实际试 验数 据的检验 。 1.1.2 基于 FE 模型更新的方法
基于振动的损伤检测有几方面的优点 :通常 不必事先知 道损伤位置 , 布置传 感器时 也不 用布 置在损 伤位 置附近 ;另 外 , 用有限的传感器就可以提供足够信 息来确定 损伤位置和 损伤严重程度 , 甚至 于大型 结构 和复 杂结构 也不 例外 ;振动 测量不需要大型设备 , 除非 进行 强迫 振动测 试 , 从检 测振动 特性变化的损伤识别方法已经发展了很多 不同的分析 技术 , 目前主要有 :基于振动参数(频率 、模 态变化 , 模态曲率 、柔度 曲率等)的方法 ;有限元 模型 更新 方法 ;统计 模型 方法 ;遗传 算法和人工神经网络方法 ;小波变换以 及小波变 换神经网络 方法等 。 1.1.1 基于振动参数的方法
Humar 等[ 7] 和 Yan 等[8] 对基于振动的结构损伤检测的研 究现状和发展 进行 了回 顾 。 Humar 等[ 7] 以 实例 对 模态 曲率 法 、基 于柔 度矩 阵改 变法 、基 于柔 度模 态改 变法 、损伤 指数 法 、基于模态残余向 量法 、矩阵 更新 法进行 了比 较研 究和述 评 , 说明了各种方法的缺点 。 指出损伤 指数法预 测损伤位置 最为成功 , 同时对测 量误差 不敏 感 , 但该方 法在 损伤 构件对 测量模态的能量贡献较小时不可靠 。 Yan 等[ 8] 总结了各种基 于结构动力特性参数的结构损伤检测方法 , 介绍 了结构损伤 检测中的智能损伤诊断原理和其应用前景 。
工程结构自建成后 , 随 着服 役时 间的增 长 , 不断 受环境 侵蚀和各种 荷 载以 及自 然 灾害 等的 作 用 , 若没 有 适当 的维 护 , 将使十木工程基础设施的状态逐渐 趋于劣化 而变得不可 靠 。 例如 , 由 于缺 乏维 护 , 美 国联 邦 公路 管 理局(FHWA)声 称 , 到 2003 年为止 , 美国 27.1%的桥 梁有结构 缺陷或 功能退 化 , 而对所有 59 万多座桥梁进行更新 和适当修 复 , 需 要今后 20 年每年投资 94 亿美元 。 2007 年 6 月 15 日 我国 广东 省九 江大桥和美国当 地时间 2007 年 8 月 1 日明尼苏 达州位于密 西西比河上的高速公路 135W 桥的 坍塌 , 造成了 很大 的生命 财产损失 , 对工程界 产生了 极大 的震 动 , 也 使人 们对 很多工 程结构的安 全产生了 疑问 。 造 成结 构倒塌 和破 坏的 因素极 其复杂 , 例如设计和 施工不 当以 及随 意改变 使用 功能 ;自然 灾害 、爆炸和冲击碰撞 ;还有就是结构损伤导致的结构破坏 。
Sophia 等[ 9] 将结构自振频率对于局部刚度变化的灵敏度 列为待定方程组 , 利用采集的损伤前后 不完全自 振频率变化 的数据以及马尔可 夫参 数识 别损 伤位 置和 程度 。 Pandey 等 人[ 10 -11] , 提出了利用 曲率 模态 和柔 度改 变量 进行 损伤 检测 的方法 。结 果显示模 态保 证准则(MAC)和坐 标模 态保 证准 则(COMAC)对于早期损伤检测不够灵敏 ;曲率模 态的改变仅 发生在损伤局部区域 , 可用 以指 示损 伤位置 ;柔 度矩 阵随频 率增长快速收敛 , 它可以由前几阶低 频模态准 确估计 。 另外
对于受环境因素 、载荷 和自 然灾害 导致 损伤 、累积 以及 抗力衰减的工程结构 , 如上 面的 两个 例子 , 可以 通过 一定的 检测手段与方法来判断结构是否存在损伤 , 并对 损伤定位和 评估加固来避免破坏 , 这方面的研究成 为目前学 术和工程界 的热点问题 , 国内外相关文献报道逐 年上升 。 实 现对土木工 程基 础 设 施 的 损 伤 检 测 和 识 别 过 程 称 为 结 构 健 康 监 测 (Structural Health Monitoring , 简 写为 SHM)。 SHM 过 程包 括从 传感器阵列获得周期性采样的动力响应观 测过程 , 从采样数
1 结构损伤检测和识别技术 结构发生 损伤时 , 会不 同程度 地引 起结 构参数 如质 量 、
刚度和阻尼的 变化 , 进而导 致结 构自振 频率 、振 型和阻 抗的
*上海市科技攻关重点资助项目(062512028)。 第一作者 :周奎 , 男 , 1970 年 8 月出生 , 副教授 , 博士 。 E - mail:Zhoukui-sh@msn .com 收稿日期 :2008 -03 -04
土木工程结构健康监测的研究进展综述 ——— 周 奎 , 等
间桁 架结构的试验研究 , 通过损伤前后 结构柔度矩 阵的分析模型 上进 行静力分析并定位结构损伤 。
Hadjileontiadis 等[ 14] 基于分形 维数分析 , 提 出了梁 结构的 裂缝检 测 因子(FDCD), 它可 以 有效 地 用于 实 际 损伤 检 测 。 因为 是直接对信号进行运算的时域算法 , 所以该算 法具有快 速高 效的特点而可用于实时监测环境 。 研究 结果表明 , 该方 法比 小 波 分 析 对 噪 声 或 测 量 误 差 更 具 鲁 棒 性 。 Zhang 和 Aktanp[ 15] 提出了结构 损伤 识别一 致荷 载面(ULS)的 概念 , 即 在结 构所有自由度上同时施加单位荷载 , 则在所有 这些单位 荷载作用下的 位移 向量 称为 ULS 。 研 究发 现 ULS 对试 验误 差最不敏感 。 Wu 等[16] 进行 了一 个立 交桥 数值 算例 的 截断 误差研究 , 结果显示 ULS 对 局部 损伤非 常敏 感 , 但对所 用的 模态数和边界 条件不敏感 。 Wang[17] 采用 ULS 和 对文献[ 14] 改进 的 FD 方法 , 提出了两种新的损伤检测算法 , 即 广义分形 维数 法(GFD)和简化裂缝平滑方法(SGS), 试验与分析结 果显 示 , 两种方法可以用于梁类结构的损伤检测和估计 。
2.Department of Civil Engineering , California University at Los Angeles , Los Angeles CA90095 , USA)
Abstract :The structural health monitoring (SHM)with the characteristic of multidisciplinary is a powerful tool to support the operational safety and appropriate maintenance for civil engineering infrastructures .The recent advances in research on varieties of damage detection methods and wireless smart sensing technology are stated .The focuses of the online SHM are discussed and the potential challenges in the future to SHM and damage detection are addressed. Keywords :structural health monitoring ;damage detection;vibration parameter ;smart sensing technology
96 Industrial Construction Vol.39 , No.3 , 2009
据提 取损伤敏感特性并对这些特性进行统计 分析 , 然后用于 判定当前结构 系统的健 康状态 。 SHM 技术 是支 撑大型 复杂 土木工程基 础设 施 安全 运 行和 适时 维 护的 一个 有 力工 具 。 对于长期的 SHM , 根据结构 完成 预定功 能的 能力 , 考虑 由于 长期 运行不可避免的老化和性能下降 , 这个过程输 出周期性 更新的信 息(Model Updating)。 在极 端情 况下 , 如 爆炸 、冲击 或地 震作用 , SHM 可用于快速灾害调查和近乎实时 的提供关 于结构整体的 可靠信息 。 文献[ 1 -2] 对近期 SHM 的 发展现 状作 了详细的总结和评述 , 然而传统方 法是以数据 采集和信 息分 析为主 , 其最大 的缺点 是设 备昂贵 、系 统安 装耗时 以及 数据 量庞大 。
A SUMMARY REVIEW OF RECENT ADVANCES IN RESEARCH ON STRUCTURAL HEALTH MONITORING FOR CIVIL ENGINEERING INFRASTRUCTURES
Zhou Kui1 Wang Qi1 Liu Weidong1 Zhang Jian2 (1.Department of Civil Engineering , University of Shanghai for Science and Technology , Shanghai 200093, China ;
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