桥梁结构损伤识别理论的研究现状

（重庆市涪陵公路事务中心，重庆 408000）

0 引言

桥梁结构是我国城市基础设施建设的关键，对我国交通运输、经济发展起着不可忽视的重要。因此，在桥梁结构的使用阶段中，对结构进行有效安全的健康检测和安全评估，确保桥梁结构在使用期间保证服务功能和安全性就显得格外重要。桥梁结构设计使用年限一般在数十年到百年之间，但在整个使用阶段会出现材料老化、钢筋锈蚀等不可逆因素的影响，除此之外，还需要承受各种外部荷载的影响，例如，车辆荷载、温度荷载、强风、强震等，近几年桥梁结构坍塌事故偶会发生，归纳起来，主要有以下几方面原因。

（1）设计方面：现有设计体系与理论不够完善，对桥梁结构的安全定义标准较低，在设计的时候忽视结构整体复杂性以及没有综合考虑桥梁结构在实际运营中所面临的各种因素。

（2）施工方面：施工过程结构易受到环境、温度、材料等影响，偶然会存在偷工减料现象，危害结构整体安全性。

（3）运营方面：在运营中，缺乏严格的管理措施，超载、超速现象偶尔会出现在桥梁结构中，且对结构后期的保护保养力度不够也是导致桥梁事故的原因之一。

桥梁事故具有突发性强、危害高、等特点，一旦出现桥梁倒塌事故，可能会导致严重的人员伤亡，后果不堪设想。据调查显示，在美国现有桥梁中，有超过1/4 的桥梁存在设计缺陷或承载能力退化，为避免桥梁结构出现倒塌等事故，需对桥梁结构进行科学有效的健康检测和安全评估。桥梁结构损伤识别作为桥梁安全评估和健康监测的根本核心技术，在国际上已经成为各专家学者的关注焦点。最近几年，对桥梁结构的损伤识别研究一般是以振动测试技术和分析结构动力学参数为基础开展的。一般认为结构的响应会随着结构损伤而发生改变，例如频率、振型、曲率模态等都会随着结构损伤状况而发生改变[1]。于是国内外很多专家学者根据理论分析和上述不同的参数提出了关于桥梁结构损伤鉴定的多种损伤识别方法。

1 结构损伤识别

1.1 结构损伤识别概念

结构损伤识别的基本原理是结构自身的材料特性与模态参数之间可以用数学函数关系来表达，通过相关试验测出结构在特定状况下的响应，并利用特殊的响应分析方法分析，确定相应的模态信息，并利用物理特征与结构模态之间的数学函数关系，推导得到相应的结构物理特征参数[2]。

1.2 结构损伤识别的发展

结构损伤的发展在国外大致经历了以下三个阶段[3]：

第一，1940年至1960年，结构损伤识别进入探索阶段。这个时期结构损伤的判断方法主要是通过目测判断的，利用目测观察结构是否发生裂缝、存在明显的变形等显著的损伤特征。

第二，1960年至1980年，结构损伤识别进行发展阶段。在这个阶段，随着桥梁技术的不断发展，人们开始加深对结构损伤识别的认识，很多专家学者投入到结构损伤识别研究中，极大促进了结构损伤识别的发展，国内外学者先后提出各种结构损伤识别方法。

第三，1980年至今，结构损伤识别进入完善阶段。20世纪末至今，随着科学技术的不断发展完善，越来越多的大规模土木工程项目拔地而起，结构的设计复杂度也不断增加，使得频繁出现因结构损伤而导致的灾难，为避免这种情况的频繁出现，各专家学者开始对结构损伤的识别方法深入研究。所以，结构损伤识别方法得到了快速发展，现有损伤识别体系也不断被各个学者完善修改。

2 结构损伤识别方法

目前，桥梁结构的整体损伤识别方法主要有：静力测试判断结构损伤法、智能计算判断结构损伤、动力指数判断结构损伤、模型修正判断结构损伤等几大类识别方法[4]，本文将主要对这几种方法进行阐述。

2.1 基于静力测试的损伤识别方法

这种损伤识别方法主要是利用在静力荷载作用下桥梁结构产生的响应，分析材料的物理参数和结构的静力特性的变化，从而实现对桥梁结构损伤状况的判断。结构的物理特性参数以及使用材料参数可以通过试验获得，试验测得数据较为精准，因此在桥梁结构的损伤识别方法中，静力损伤识别方法在国内外被广泛试验[5]。Wang 等[6]将静力作用下计算得到的结构响应采用迭代的方法进行求解，能够精确地对结构损伤发生位置进行定位和对损伤状况的判断；蒋华等[7]在结构损伤识别研究中，将结构损伤识别转化为求解约束下的最优解问题，以结构产生的位移为模型的测试指标，利用计算软件建立了精准识别结构损伤的数学模型；

2.2 基于动力指数的损伤识别方法

这类的方法是通过结构振动试验测试得到的振动位移、速度、加速度时程响应或将变换分析后的结构动力学参数当做损伤指示信息来确定结构损伤位置和损伤程度。

2.2.1 利用模态参数的损伤识别

（1）基于频率的损伤指数

这种方法在对损伤进行定位主要利用两个不同阶频率变化比来实现，它认为结构发生局部损伤的时候只会使结构刚度矩阵的局部降低，并且在计算中假定由局部损伤导致的结构第i 阶频率的改变量是结构损伤位置向量的函数。

基于频率损伤指数识别方法在进行结构识别的时候，首先需要对损伤的位置向量进行假定，计算出结构频率的变化比，然后将实测的频率变化比与假定计算出的结构频率变化比进行比较，如果两者相等，则认为实际位置即为假定位置。若两者不相等，则需要重新假定，然后重复上面工作，直到确定出损伤位置。实际结构中损伤可能不止发生在一处，因此在使用这种方法的时候，必须要将结构损伤的所有情况考虑在其中，然而，对一个桥梁结构而言，可能出现的损伤位置组合实在太多，不可能完全考虑进去，而且，通过试验测得的频率仅为结构的低阶频率，对反映局部的损伤程度并不敏感[7]。所以，通过基于频率的损伤指数方法对结构损伤进行定位是相当困难的，在实际测试中一般很少采用。

（2）基于振型的损伤指数

在结构损伤识别发展初期，对损伤定位一般就是通过对比结构损伤前后的振型来实现的。1986年提出了模态保证准则MAC（Modal Assurance Criterion），这种方法主要是通过计算模态与试验模态的比较来实现结构损伤识别；1988年，Lieven 和Ewins 对MAC 准则进行了进一步的改进，提出了坐标模态保证准则COMAC。为了提高结构损伤对模态变化的敏感度，1991年，Pandy 提出了曲线模态的概念，进一步提高了结构损伤对于模态变化的敏感度，后来随着使时间的发展，有学者在Pandy 基础上提出了应变模态概念，并得出了结构损伤对应变模态更为敏感的结论。

为了找寻对结构损伤更为准确的定位方法，一些学者将有限元模型与振型相结合定义出了新的结构损伤指标，并且通过试验研究发现，对结构损伤进行识别和定位中，模态应变能起着不可忽视的作用[8]。Stubbs 和Kim 等在20世纪末开创了模态应变能识别和评估结构损伤与定位的先河，除此之外，1998年，Law 在基于模态应变能识别结构损伤方法的基础上提出了新的损伤指数—单元能量商EEQ（Elemental Energy Quotient）。在同年，又有学者基于这个方法提出了单元模态应变能（EMSE）的概念，并且在研究中证明了该种损伤指数对局部损伤较为敏感，可以用来进行结构损伤识别。

（3）利用频率与振型相结合的联合损伤指标

随着技术的进步和研究的不断深入，结构的频率和振型都能够通过现有的手段和设备准确测试到，于是不少学者开始将研究目光投入到频率与振型联合进行损伤识别。其中，在1994年，由Pandy 和Biswas 提出的柔度矩阵法最具代表性，并且该方法不断被后续学者充实和完善。

2.2.2 利用振动响应时程或变换

这类方法主要由：（1）基于波形的识别指标。这种方法主要利用试验测得结构在损伤前后的加速度FRF 波形，提出了几种结构损伤的识别指标，比如，WCC（Waveform Chain Code）、ATM（Adaptive Template Methods）和SAC（Signature Assurance Criteria）等，经过试验对比研究发现，WCC 与ATM 指标对加速度波形极为敏感，能够较为直观反映FRF 的细微变化，而相反，SAC则没有前两个指标敏感，对波形的变化识别能力较差，WCC 和ATM 指标尽管对结构损伤极为敏感但是并不能识别出结构损伤的位置。（2）用小波分析技术处理振动响应信号识别结构损伤。用小波变化进行结构损伤识别具有多分辨分析的思想，可以对聚集信号的任意细节进行频域处理，非常适合用于振动结构损伤的判断，李书进等就该种结构损伤分析方法提出了响应的算法。（3）利用结构振动响应的时域交换方法。这种方法包括时域峰值法、振动水平诊断、冲击脉冲法、峭度因子分析法、峰值因素法。

2.3 基于智能计算的损伤识别方法

上述所论述的结构损伤识别方法是利用结构发生损伤前后的动静力参数和一些损伤分析指数对比判断损伤程度和位置的。但智能计算的损伤识别方法并不是分析结构的物理特性参数，而且将结构损伤前后产生的反应与不同损伤程度串联起来，建立能够将结构的反应记录下来的标准模式库，将结构在不同激励作用得到的反应情况，与模式库的数据进行对比，从而确定出结构损伤的具体程度。

4 结论

有限元模型的修改需要将结构的动静力测试数据与理论计算数据相互结合以寻求最佳的模型结构参数，然而结构损伤往往比较特殊，理论值与模型计算结果之间往往存在差距。在实际结构中，损伤的产生只会局部的刚度降低，但在有限元模型中，修正刚度是针对的整个刚度矩阵。有限元模型的修正过程是在原先建立模型的基础上对其进行修正使得模型的计算结果与实际相符合。而损伤识别不单单是判断结构是否发生损伤，更重要的是确定损伤的具体位置，这远比修改模型更复杂。

基于智能计算的损伤识别方法采用人工神经网络为主，这种方法特点是学习能力强，且运算能力会随着不断训练而加强，该种方法在未来发展具有很大的潜力，但是难点在于输入向量与输出目标的确定，而且这种方法同样会受到测量误差的影响。