结构损伤识别的改进曲率模态方法
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结 构损 伤状 ２ ｌ 于 曲率 模态 变化 识别 结构 损伤 状况 ， 。基 曲率 模态 实质 上是 振型 的二 阶导数 ， 与振型 相 比 ， 它
对 损伤 更 敏感 ， 以受 到关注ｐ 所 卅。 本文 提 出 了一 种 基 于 曲率 模 态 。 合 考虑 频率 变 化 的综合 指标 法 。该 方法 融入 了 曲率 模 态方 法 局 部损 综 伤灵 敏性 高和 频率 方法 操作 简便 、 精度 高 的优点 。
［ 稿 日期】 ０ １０ － ３ 收 ２ １－ ６ １ 【 金 项 目】 设 部 研 究 开 发 资 助 项 目（０ ８ Ｋ — ５ 基 建 ２０ 一 ２ ３ ）
助 于 提 高 结 构 的 预期 可 靠 性 和 安 全 性 ， 同时 降 低 了结 构 的 维 修 费用 。论文 主要 研 究 了如 何 采 用改 进 的 曲率 模 惫 方 法
识 别 结 构 的 损 伤 以提 高识 别 精 度 。基 于 曲 率模 态 对 结 构 局 部 损 伤 比 较敏 感 和 频率 指标 测试 简单 方便 、精 度 高 的 特
ｌ 曲率 模 态 方 法 的基 本 原 理
近年 来 ， 包括作 者 在 内的 国 内外许 多研 究人 员都 对 曲率模 态识 别结 构损 伤位 置方 法进行 了研 究 ， 并发 表
了一 些 论 文 １ 。
曲率模 态 的计算 一般 是基 于振 型模 态 间接 得 到 的 ， 具体 步骤 如下 ：
和工程 界研 究 的一 大热点 。 某种 意义 上讲 ， 从 损伤 可定 义为 ： 对其 现在 和／ 或将 来性 能产 生不 利影 响 的结构 的 变 化Ⅲ 。一般 来说 ， 构损 伤有 两种情 况 ， 结 一是 结构 的质 量发 生变 化 ， 是结 构 的刚度 降低 。对 于土木 工程 结 二
时 了解 结构 的健 康状 况 ， 括 中 国在 内的许多 国家 都在 大 型结构 上安装 了健 康监 测 系统 。例 如东海 大桥 、 包 苏 通 大桥 、 港 的青 马 大桥 等 。结构 损 伤识 别 ， 为 结构 健康 监 测 系统基 本输 入 之～ ， 近年 来 国 内外 学术 界 香 作 是
Ｊｎ ２ １ ｕ ． ０ １
结构损伤识别 的改进 曲率模 态方法
常 军 ， 肖 辉 ｚ
（． 州科 技 学 院 土 木 工 程 学 院 ， 苏 苏 州 ２ ５ １ ； 州 建设 集 团 ， 苏 苏州 ２ ５ ０ ） １苏 江 １０１苏 江 １０ ０
摘
要 ： 构 损 伤 识 别 是 结 构 健 康 监 测 和结 构 状 态 评 估 的 主要 前提 之一 。尽 早 了 解 结 构 的 损 伤 状 况 和 损 伤 位 置 有 结
中 图分 类 号 ：Ｕ ４ ４１ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ７ （０ １０ — ０ １０ １７ — ６ ９２ １ ）２ ０ ５ － ４
现 有结 构在 其服 务年 限 内 ， 由于 内外 环境 的不 利影 响 ， 致其 出现 连续 的损 伤积 累或 功能退 化 。为 了实 导
构 ， 质量 一 般很 少发 生 变化 ， 者说 质量 变化 对 结构 影 响不 大 ， 以土木 工程 结构 的损 伤 一般 认 为 是结 构 其 或 所
的刚度 降低 。损 伤会 使结 构 的刚度 降低 ， 进而 导致 其模 态特 性发 生变化 ， 如结 构 的模 态频 率 和振 型发 生变 例 化 。近年 来 ． 了在 结构 退化 早期 检测 出其损 伤状 况 ， 而提 高结 构 的预期 可靠 性 和安 全 性 ， 为 进 降低 结 构维 修
养护 费用 ， 国内外许 多专 家学 者对 结构 损伤 识别 进行 了大 量研究 ． 提 出一 系列损伤 识别 方法 。 目前经 常采 并
用 的结构 损 伤识 别方 法 有 ： 基于 频率 变化 的损伤 识别 方 法 、 于 振型 变化 的结 构 损伤 识别 方 法 、 于 曲率模 基 基
态发 生变 化 的结构 损伤 识别 方法 ， 于柔度 变化 的结 构损 伤识 别方 法 、 态修 正法 等 。每种方 法 都有其 优 缺 基 模
点， 都有其 应 用前 景 。基于频 率 变化 的结 构损伤 识别 方法 ， 该方 法 主要通 过损 伤前 后频 率 的变化 来识 别结 构
的损伤 状况 ， 该方 法 理论基 础较 清 晰 ， 测试 简单 方便 ， 曾一度 受到青 睐 。但应 当指 出 ． 该方法 在 实际应 用 上也 有 其 限制 。 例如频 率 变化对 损 伤精度 要求 不敏 感 ， 较严 重损 伤不 敏感 等 。 对 同时频 率是 结构 的整 体性 能描 述 ， 很难 用 于具 体 位置 损 伤 的识别 。基 于振型 改 变的损 伤 识别 方法 ， 过分 析 损伤 前后 的振 型 变 化情 况来 识 别 通
第 ２ ４卷
２１ ０ １年 ０ ６月
第 ２期
苏州 科 技 学 院 学报 （ 程技 术 版 ） 工
Ｖ １２ ｏ． ４
Ｎ ． ｏ２
Ｊｕ ａ ｆ ｕｈ ｕＵ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃｎ ｌ ｙＥ ｇｎ ｅｉｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ ｏ ｒ ｌ ｚｏ ｎｖｒ ｔ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ （ ｎ ｉｅｒ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ） ｎ ｏＳ ｉ Ｓ ｅ ｏ ｎ ｏ
点 ， 文 提 出 了 一种 以结 构 的 曲率 模 态 为 基 础 ， 合 考 虑 频 率 变 化 的改 进 曲率 模 态 识 别 结 构 损 伤 位 置 的方 法 。最 后 论 综 用 一 数 值 模 拟 的 简 支 混 凝 土 梁 对该 方 法 与 曲率 模 态 方 法 进 行 了对 比验 证 。 果 表 明 ， 进 的 曲率 模 态 方 法 能够 更 精 结 改 确 地 识 别 出结 构 的损 伤 位 置 。 关键 词 ： 伤 识别 ； 损 曲率 模 态 ； 态 分 析 ； 法 改 进 模 方
结 构损 伤状 ２ ｌ 于 曲率 模态 变化 识别 结构 损伤 状况 ， 。基 曲率 模态 实质 上是 振型 的二 阶导数 ， 与振型 相 比 ， 它
对 损伤 更 敏感 ， 以受 到关注ｐ 所 卅。 本文 提 出 了一 种 基 于 曲率 模 态 。 合 考虑 频率 变 化 的综合 指标 法 。该 方法 融入 了 曲率 模 态方 法 局 部损 综 伤灵 敏性 高和 频率 方法 操作 简便 、 精度 高 的优点 。
［ 稿 日期】 ０ １０ － ３ 收 ２ １－ ６ １ 【 金 项 目】 设 部 研 究 开 发 资 助 项 目（０ ８ Ｋ — ５ 基 建 ２０ 一 ２ ３ ）
助 于 提 高 结 构 的 预期 可 靠 性 和 安 全 性 ， 同时 降 低 了结 构 的 维 修 费用 。论文 主要 研 究 了如 何 采 用改 进 的 曲率 模 惫 方 法
识 别 结 构 的 损 伤 以提 高识 别 精 度 。基 于 曲 率模 态 对 结 构 局 部 损 伤 比 较敏 感 和 频率 指标 测试 简单 方便 、精 度 高 的 特
ｌ 曲率 模 态 方 法 的基 本 原 理
近年 来 ， 包括作 者 在 内的 国 内外许 多研 究人 员都 对 曲率模 态识 别结 构损 伤位 置方 法进行 了研 究 ， 并发 表
了一 些 论 文 １ 。
曲率模 态 的计算 一般 是基 于振 型模 态 间接 得 到 的 ， 具体 步骤 如下 ：
和工程 界研 究 的一 大热点 。 某种 意义 上讲 ， 从 损伤 可定 义为 ： 对其 现在 和／ 或将 来性 能产 生不 利影 响 的结构 的 变 化Ⅲ 。一般 来说 ， 构损 伤有 两种情 况 ， 结 一是 结构 的质 量发 生变 化 ， 是结 构 的刚度 降低 。对 于土木 工程 结 二
时 了解 结构 的健 康状 况 ， 括 中 国在 内的许多 国家 都在 大 型结构 上安装 了健 康监 测 系统 。例 如东海 大桥 、 包 苏 通 大桥 、 港 的青 马 大桥 等 。结构 损 伤识 别 ， 为 结构 健康 监 测 系统基 本输 入 之～ ， 近年 来 国 内外 学术 界 香 作 是
Ｊｎ ２ １ ｕ ． ０ １
结构损伤识别 的改进 曲率模 态方法
常 军 ， 肖 辉 ｚ
（． 州科 技 学 院 土 木 工 程 学 院 ， 苏 苏 州 ２ ５ １ ； 州 建设 集 团 ， 苏 苏州 ２ ５ ０ ） １苏 江 １０１苏 江 １０ ０
摘
要 ： 构 损 伤 识 别 是 结 构 健 康 监 测 和结 构 状 态 评 估 的 主要 前提 之一 。尽 早 了 解 结 构 的 损 伤 状 况 和 损 伤 位 置 有 结
中 图分 类 号 ：Ｕ ４ ４１ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２ ０ ７ （０ １０ — ０ １０ １７ — ６ ９２ １ ）２ ０ ５ － ４
现 有结 构在 其服 务年 限 内 ， 由于 内外 环境 的不 利影 响 ， 致其 出现 连续 的损 伤积 累或 功能退 化 。为 了实 导
构 ， 质量 一 般很 少发 生 变化 ， 者说 质量 变化 对 结构 影 响不 大 ， 以土木 工程 结构 的损 伤 一般 认 为 是结 构 其 或 所
的刚度 降低 。损 伤会 使结 构 的刚度 降低 ， 进而 导致 其模 态特 性发 生变化 ， 如结 构 的模 态频 率 和振 型发 生变 例 化 。近年 来 ． 了在 结构 退化 早期 检测 出其损 伤状 况 ， 而提 高结 构 的预期 可靠 性 和安 全 性 ， 为 进 降低 结 构维 修
养护 费用 ， 国内外许 多专 家学 者对 结构 损伤 识别 进行 了大 量研究 ． 提 出一 系列损伤 识别 方法 。 目前经 常采 并
用 的结构 损 伤识 别方 法 有 ： 基于 频率 变化 的损伤 识别 方 法 、 于 振型 变化 的结 构 损伤 识别 方 法 、 于 曲率模 基 基
态发 生变 化 的结构 损伤 识别 方法 ， 于柔度 变化 的结 构损 伤识 别方 法 、 态修 正法 等 。每种方 法 都有其 优 缺 基 模
点， 都有其 应 用前 景 。基于频 率 变化 的结 构损伤 识别 方法 ， 该方 法 主要通 过损 伤前 后频 率 的变化 来识 别结 构
的损伤 状况 ， 该方 法 理论基 础较 清 晰 ， 测试 简单 方便 ， 曾一度 受到青 睐 。但应 当指 出 ． 该方法 在 实际应 用 上也 有 其 限制 。 例如频 率 变化对 损 伤精度 要求 不敏 感 ， 较严 重损 伤不 敏感 等 。 对 同时频 率是 结构 的整 体性 能描 述 ， 很难 用 于具 体 位置 损 伤 的识别 。基 于振型 改 变的损 伤 识别 方法 ， 过分 析 损伤 前后 的振 型 变 化情 况来 识 别 通
第 ２ ４卷
２１ ０ １年 ０ ６月
第 ２期
苏州 科 技 学 院 学报 （ 程技 术 版 ） 工
Ｖ １２ ｏ． ４
Ｎ ． ｏ２
Ｊｕ ａ ｆ ｕｈ ｕＵ ｉｅｓｙｏ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃｎ ｌ ｙＥ ｇｎ ｅｉｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ ｏ ｒ ｌ ｚｏ ｎｖｒ ｔ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ （ ｎ ｉｅｒ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ） ｎ ｏＳ ｉ Ｓ ｅ ｏ ｎ ｏ
点 ， 文 提 出 了 一种 以结 构 的 曲率 模 态 为 基 础 ， 合 考 虑 频 率 变 化 的改 进 曲率 模 态 识 别 结 构 损 伤 位 置 的方 法 。最 后 论 综 用 一 数 值 模 拟 的 简 支 混 凝 土 梁 对该 方 法 与 曲率 模 态 方 法 进 行 了对 比验 证 。 果 表 明 ， 进 的 曲率 模 态 方 法 能够 更 精 结 改 确 地 识 别 出结 构 的损 伤 位 置 。 关键 词 ： 伤 识别 ； 损 曲率 模 态 ； 态 分 析 ； 法 改 进 模 方