1、第9章 基于模態(tài)參數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院20132013年年6 6月月2727日日課程課程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容主要內(nèi)容 引言引言 損傷識(shí)別發(fā)展過(guò)程損傷識(shí)別發(fā)展過(guò)程 基于模態(tài)參數(shù)的經(jīng)典損傷識(shí)別方法基于模態(tài)參數(shù)的經(jīng)典損傷識(shí)別方法 例子例子9.1 9.1 引言引言 全世界重大工程結(jié)構(gòu)倒塌事故時(shí)有發(fā)生全世界重大工程結(jié)構(gòu)倒塌事故時(shí)有發(fā)生不包括地震，全世界不包括地震，全世界：近：近4040余座橋梁發(fā)生倒塌。余座橋梁發(fā)生倒塌。美國(guó)每年橋梁投資：美國(guó)每年橋梁投資：90橋梁維修，橋梁維修，10新建橋梁新建橋梁美國(guó)近美國(guó)近6060萬(wàn)

2、座橋梁：萬(wàn)座橋梁：性能不足的占所有橋梁的性能不足的占所有橋梁的28.628.6%美國(guó)和日本等：美國(guó)和日本等：經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)建造的橋梁性能衰退最快經(jīng)濟(jì)騰飛時(shí)建造的橋梁性能衰退最快我國(guó)：我國(guó)：公路危橋?yàn)楣肺驗(yàn)?5979597座，每年實(shí)需維修費(fèi)座，每年實(shí)需維修費(fèi)3838億元億元我國(guó)已建公路和鐵路總里程達(dá)到423萬(wàn)公里和11萬(wàn)公里，位居世界第二!公路橋梁69萬(wàn)座（世界第一）鐵路橋梁6.5萬(wàn)座（世界第一）19991999年年 重慶綦江彩虹橋重慶綦江彩虹橋（巴西（巴西P36平臺(tái)破壞，平臺(tái)破壞，2001）2000年臺(tái)灣高屏大橋年臺(tái)灣高屏大橋2000年南門(mén)大橋事故年南門(mén)大橋事故遼寧盤(pán)錦田莊臺(tái)大橋遼寧盤(pán)錦田莊臺(tái)

3、大橋（2004年年6月月10日）日） n 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為保障重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)成為保障重大工程安全的重要途徑安全的重要途徑n 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)成為熱點(diǎn)的研究課題結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)成為熱點(diǎn)的研究課題結(jié)構(gòu)是否損傷結(jié)構(gòu)是否損傷?完整的損傷完整的損傷識(shí)別過(guò)程識(shí)別過(guò)程結(jié)構(gòu)損傷位置結(jié)構(gòu)損傷位置?結(jié)構(gòu)損傷類(lèi)型結(jié)構(gòu)損傷類(lèi)型?結(jié)構(gòu)損傷程度結(jié)構(gòu)損傷程度?結(jié)構(gòu)是否安全？結(jié)構(gòu)是否安全？9.2 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究現(xiàn)狀n 基于自振頻率的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于自振頻率的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 n 基于振型的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于振型的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 模態(tài)置信度判據(jù)法模態(tài)置信度判據(jù)法（MAC, COMAC

4、） 曲率模態(tài)法曲率模態(tài)法 柔度法柔度法 剛度法剛度法 指標(biāo)法指標(biāo)法 殘余力向量法殘余力向量法n 基于傳遞函數(shù)（頻響函數(shù)）的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于傳遞函數(shù)（頻響函數(shù)）的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 n 基于時(shí)間序列信號(hào)分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于時(shí)間序列信號(hào)分析的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 pjxxjtejtxtx1AR模型模型HoonHoon SohnSohn (2000) (2000)n 基于統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 Bayesian Bayesian理論理論 隨機(jī)有限元隨機(jī)有限元n 基于模式分類(lèi)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于模式分類(lèi)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 支持向量機(jī)支持向量機(jī)K. Wo

5、rden （2001）n 基于信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法基于信號(hào)處理的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法 小波變換小波變換 HHT變換變換n 非線性非線性結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法損傷識(shí)別方法 分形維數(shù)分形維數(shù) ChaosChaos（混沌）（混沌）關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題測(cè)試噪聲及各種環(huán)境不確定性干擾測(cè)試噪聲及各種環(huán)境不確定性干擾 環(huán)境綜合激勵(lì)并非理想白噪聲環(huán)境綜合激勵(lì)并非理想白噪聲 測(cè)試自由度及模態(tài)不完備測(cè)試自由度及模態(tài)不完備 測(cè)試技術(shù)及儀器精度的制約測(cè)試技術(shù)及儀器精度的制約 土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問(wèn)題目前沒(méi)有真正的土木工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別問(wèn)題目前沒(méi)有真正的解決解決9.3 9.3 經(jīng)典損傷識(shí)別方法經(jīng)典損傷識(shí)別方法通過(guò)頻率進(jìn)行

6、損傷識(shí)別，首先可以通過(guò)頻率的變化直接判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，也即udjjj(1) (1) 基于頻率的損傷識(shí)別方法基于頻率的損傷識(shí)別方法如果測(cè)得結(jié)構(gòu)的某幾階頻率降低，可以判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷，這樣簡(jiǎn)單直觀，但是穩(wěn)定性較差，容易受噪聲和環(huán)境因素等影響。因此可以結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)的方法，觀測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的頻率變化來(lái)判斷是否損傷。ujdj是損傷前后的結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻率(2) (2) 基于振型的損傷識(shí)別方法基于振型的損傷識(shí)別方法1 1）模態(tài)置信度判據(jù)法（）模態(tài)置信度判據(jù)法（ Modal Assurance Criteria ）模態(tài)置信度判據(jù)法是利用模態(tài)置信判據(jù)進(jìn)行損傷識(shí)別（如MAC、COMAC）。其原理是：當(dāng)損傷未發(fā)生時(shí)

7、，模態(tài)置信度判據(jù)為1。可一旦破壞發(fā)生，由于振型的變化，模態(tài)置信度判據(jù)不等于1。2MAC,1,2,TujdjjjTTujujdjdju djn Pandey等人提出，當(dāng)?shù)玫綋p傷結(jié)構(gòu)和完好結(jié)構(gòu)的振型后，每一個(gè)位置處的曲率便可以用中心差分法近似地得到： 2 2）曲率模態(tài)法）曲率模態(tài)法2, 1, 1 /2hjijijiij jujdj 對(duì)所取結(jié)構(gòu)振型超過(guò)一個(gè)時(shí)，總的曲率差為各個(gè)模態(tài)曲率差的和jjiiv ,T MI1T MKM1NTTiiiiKM MMM已知結(jié)構(gòu)的固有頻率與振型已知特征方程，對(duì)特征方程兩端右乘13 3）柔度法）柔度法柔度矩陣是剛度矩陣的逆1KF1FM1KM再將式右乘得：1T M1T MF

8、M1211NTTiiii F uF令結(jié)構(gòu)損傷前后柔度矩陣為，dF則損傷前后柔度矩陣的變化量為udFFF將F對(duì)角線元素標(biāo)準(zhǔn)化，可以用來(lái)作為損傷指標(biāo)udjjjjFjujjFFF9.3 例子例子n 損傷工況：損傷工況： 單元損傷分別為：?jiǎn)卧獡p傷分別為：10% ，20%，40%，60% 響應(yīng)數(shù)據(jù)加噪聲：響應(yīng)數(shù)據(jù)加噪聲： 0、2%、5%、10%、15%、20%n 測(cè)點(diǎn)布置方案測(cè)點(diǎn)布置方案8 測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)12 測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)2.4 曲率模態(tài)法曲率模態(tài)法n 振型的識(shí)別振型的識(shí)別8測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)，無(wú)噪聲無(wú)噪聲8測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)，20%噪聲噪聲12測(cè)點(diǎn)，無(wú)噪聲測(cè)點(diǎn)，無(wú)噪聲12測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)，20%噪聲噪聲n 8測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)123456780

9、.02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-10 傳感器位置編號(hào) 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷123456780.02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-10 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷傳感器位置編號(hào)123456780.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-116.0 x10-117.0 x10-118.0 x10-119.0 x10-111.0 x

10、10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-10 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷傳感器位置編號(hào)123456780.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-116.0 x10-117.0 x10-118.0 x10-119.0 x10-111.0 x10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-101.4x10-10 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷傳感器位置編號(hào)123456780.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-

11、116.0 x10-117.0 x10-118.0 x10-119.0 x10-111.0 x10-101.1x10-101.2x10-101.3x10-101.4x10-10 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷傳感器位置編號(hào)123456780.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-116.0 x10-117.0 x10-118.0 x10-119.0 x10-111.0 x10-10 10%損傷 20%損傷 40%損傷 60%損傷 傳感器位置編號(hào)10%噪聲噪聲15%噪聲噪聲20%噪聲噪聲無(wú)無(wú)噪聲噪聲2%噪聲噪聲5%噪聲噪

12、聲曲率模態(tài)法曲率模態(tài)法123456780.02.0 x10-124.0 x10-126.0 x10-128.0 x10-121.0 x10-111.2x10-111.4x10-111.6x10-111.8x10-112.0 x10-11 傳感器位置編號(hào) 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲123456780.05.0 x10-121.0 x10-111.5x10-112.0 x10-112.5x10-113.0 x10-113.5x10-114.0 x10-114.5x10-11 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲傳感器位置編號(hào)123456

13、780.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-116.0 x10-117.0 x10-118.0 x10-11 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲 傳感器位置編號(hào)123456780.02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-101.4x10-10 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲傳感器位置編號(hào)40%損傷損傷60%損傷損傷10%損傷損傷20%損傷損傷曲率模態(tài)法曲率模態(tài)法1234567891011120.02

14、.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0 x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0 x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷1234567891011120.05.0 x10-111.0 x10-101.5x10-102.0 x10-102.5x10-103.0 x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷1234567891011120.05.0 x10-1

15、11.0 x10-101.5x10-102.0 x10-102.5x10-103.0 x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷1234567891011120.02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0 x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0 x10-103.2x10-103.4x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷1234567891011120.

16、02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0 x10-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0 x10-103.2x10-103.4x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷1234567891011120.02.0 x10-114.0 x10-116.0 x10-118.0 x10-111.0 x10-101.2x10-101.4x10-101.6x10-101.8x10-102.0 x10

17、-102.2x10-102.4x10-102.6x10-102.8x10-103.0 x10-103.2x10-103.4x10-103.6x10-10 傳感器位置編號(hào)10%損傷20%損傷40%損傷60%損傷n 12測(cè)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)10%噪聲噪聲無(wú)無(wú)噪聲噪聲2%噪聲噪聲5%噪聲噪聲15%噪聲噪聲20%噪聲噪聲曲率模態(tài)法曲率模態(tài)法1234567891011120.05.0 x10-121.0 x10-111.5x10-112.0 x10-112.5x10-113.0 x10-11 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲 傳感器位置編號(hào)1234567891011120.01.0 x10-112.0 x10-113.0 x10-114.0 x10-115.0 x10-116.0 x10-117.0 x10-11 無(wú)噪聲 2%噪聲 5%噪聲 10%噪聲 15%噪聲 20%噪聲 傳感器位置編號(hào)1234567891011120.02.0