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基于不完备模态信息的结构损伤识别方法杨坚;董聪【摘要】针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别.基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度.在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响.对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3％的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤.【期刊名称】《计算力学学报》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】7页(P290-296)【关键词】损伤识别;优化;有限测点;模态扩展;测试噪声【作者】杨坚;董聪【作者单位】清华大学土木工程系,北京100084;清华大学土木工程系,北京100084【正文语种】中文【中图分类】O346.51 引言损伤识别是结构健康监测中的重要内容，主要包括损伤预警、损伤定位和损伤定量三个阶段。
结构的模态参数（频率和振型等）是物理参数（刚度和质量等）的函数，模态参数的变化能够反映物理参数发生的变化，因此可以根据结构在损伤前后模态参数的改变量进行损伤识别［1］。
实际工程中，由于传感器数量和测量条件等限制，只能对有限测点进行监测，得到不完备的低阶振型，且受环境噪声、测量误差和计算误差等影响，无法精确获得模态数据。
如何利用不完备的含噪声模态信息进行损伤识别，是损伤识别领域的重要问题［2］。
模型修正法是一种修正数值模型与真实结构差异的逆求解方法，其思路也可用于损伤识别。
Hu等［3］采用交叉模型交叉模态 CMCM（crossmodel cross－mode）的损伤识别方法，对损伤结构的质量矩阵和刚度矩阵进行修正。
桥梁结构损伤检测及安全性评估摘要：近年来，随着我国交通运输事业的发展，桥梁的重要性越来越大，其通行能力、承载能力和结构安全是交通正常运行的关键，但由于交通量的增大、重型汽车的增加以及人类或自然环境影响，我国现役桥梁劣化程度严重，桥梁结构损伤检测和安全评估成了桥梁功能和安全的重要保证。
本文介绍了目前国内外采用的桥梁结构损伤检测和安全性评估的主要方法，并总结了这些方法的使用现状和不足之处。
关键词：桥梁结构损伤检测安全性评估引言近年来，随着我国交通运输事业的发展，桥梁的重要性越来越大，其通行能力、承载能力和结构安全是交通正常运行的关键，但由于交通量的增大、重型汽车的增加以及人类或自然环境影响，我国现役桥梁劣化程度严重。
对桥梁结构损伤进行检测和安全性评估，及早发现桥梁结构上的缺隐或损伤，对于保证桥梁的安全运行有着极为重要的实际意义。
一、桥梁损伤检测技术现状为了掌握桥梁的技术状态，及时进行加固整修，确保桥梁运营安全，延长桥梁结构的使用寿命，防止交通安全事故的发生，目前全球各国都在积极开发桥梁结构损伤检测技术和安全性评估技术，包括振动测试法、冲击振动试验法、超场波检测法等多种桥梁结构损伤检测技术。
在具体应用中，对既有桥梁进行损伤检测和安全性评估时，主要采用静力评估法和动力评估法两种方法。
其中，静力评估法又称为荷载试验法，其基本思路是用等效于设计荷载的车辆荷载来对桥梁进行加载，以测量桥梁的应变和挠度等指标，同设计值进行比较，从而通过检验系数来对桥梁的状态进行评估。
动力评估法是利用振动检测技术对桥梁结构损伤进行检测的方法，其基本思路是对结构模态参数进行检测，从结构模态参数的改变来判定桥梁结构是否存在损伤，并利用结构破坏前后动力学特性的变化来诊断出结构的损伤。
总的来说，近年来在桥梁损伤检测和安全性评估方面的研究，已经取得了极大的发展，但依然存在众多问题，究其主要原因，一方面是因为桥梁结构的复杂性和材料的多样性，其各个部分的应力状态、动力特性、刚度等差异较大，用单一的动力特性变化指标很难评估桥梁结构的整体状态。
桥梁结构损伤识别研究综述摘要：首先阐述了桥梁结构损伤识别在桥梁结构中的重要性，介绍了国内外桥梁结构损伤识别研究现状，在此基础上，又介绍了用于桥梁结构的各种损伤识别方法和存在的问题，最后提出了桥梁结构损伤识别的发展方向。
关键词：损伤识别，桥梁结构，神经网络，曲率模态引言桥梁结构在长期使用过程中会发生各种损伤，导致桥梁结构的承载能力的降低，甚至会导致桥梁的倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。
为了保证桥梁的安全性，需要及时的发现桥梁结构存在的损伤情况。
目前，桥梁结构损伤识别已经成为国内外研究的热点。
1 国内外桥梁结构损伤识别研究现状损伤识别最早用在航天及机械领域并得到了广泛的研究，在健康监测引起普遍关注的同时被应用在桥梁领域。
鉴于桥梁所处环境的复杂性及结构特性的随机性，桥梁的损伤识别目前还没有一个统一的标准或准则参考，实际的应用也较少，但还是取得了一些成就。
自70年代以来，随着振动测试和分析技术的发展，国际上广泛开展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤识别和监测的研究。
近年来，国外学者在利用振动模态分析理论进行结构损伤识别方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的识别方法。
早期，主要是以Vandiver和Begg[9]等的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测桥梁结构的损伤。
Spyrakos[5]进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试了模型梁在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态特性有确定的相关性，但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。
Aktan等则从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度作为损伤指针的可靠性。
除了这些较为零星的工作以外，美国通过I-40桥梁项目和Alamosa峡谷项目，对桥粱健康诊断中的结构损伤识别方法进行了系统的研究，试验结果表明振型关于结构损伤识别伤较为敏感。
Stubbs等[8]也对I-40桥进行了损伤识别的研究，利用振型曲率计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥梁的损伤。
结构损伤识别方法
结构损伤识别方法指的是通过对结构物的振动信号或传感器数据进行分析，以判断结构物是否存在损伤，并进一步定位和评估损伤的方法。
以下是常用的结构损伤识别方法：
1. 模态分析法：通过分析结构物的振动模态，包括固有频率、振型和阻尼比等信息，来识别结构物的损伤。
常用的方法有模态参数法和主成分分析法。
2. 频域分析法：通过对结构物的振动信号进行频谱分析，提取频率特征，从而识别结构物的损伤。
常用的方法有傅里叶变换、小波变换和谱峰提取等。
3. 时间域分析法：通过对结构物的振动信号进行时域分析，提取时域特征，如振动波形、包络谱等，来判断结构物的损伤。
常用的方法有时域统计分析和自相关函数等。
4. 缺陷成像法：通过将结构物分为多个小区域，对每个小区域的振动信号进行分析，构建损伤成像模型，从而实现对结构物损伤的定位和形状识别。
常用的方法有传递矩阵法和图像处理方法等。
5. 机器学习方法：通过利用机器学习算法对大量结构物振动数据进行训练和学习，建立结构物损伤模型，并通过对新的振动数据进行预测和识别，来判断结构物是否存在损伤。
常用的方法有支持向量机、神经网络和决策树等。
以上方法可以单独使用，也可以结合使用，提高结构损伤识别的准确性和可靠性。
具体选择哪种方法，取决于结构物的特点、可用数据和实际需求等因素。
浅谈桥梁结构损伤诊断1、基于模态分析得桥梁检测方法模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
通常，模态分析都是试验模态分析。
振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。
因此，模态分析是桥梁结构损伤识别和桥梁结构的故障诊断的重要方法，只要研究出了桥梁损伤前和损伤后的模态之间的区别便可以知道桥梁损伤，很多研究人员对模态分析在桥梁结构损伤中的应用做了相当大量的和有成效的工作。
目前得到广大研究者普遍认同的一种最有前途和有效的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号处理、信号采集与分析等跨学科技术的试验模态分析方法。
2、基于神经网络的损伤识别神经网络损伤识别是以结构模拟发生的损伤训练为样本集合，根据当前状态下的结构损伤指标直接进行损伤诊断的方法。
神经网络法具有线性和非线性映射能力，同时还具备自组织、自适应的学习能力，神经网络法特有的容错能力使得其能代表诸多领域的未知模型系统。
在桥梁结构损伤识别系统中，神经网络法的最大优点是增强了环境振动条件下的数据信号处理能力，很好地解决了因环境噪声引起的桥梁动力参数损失或误差大的问题。
虽然人工神经网络具有很多优点，但是同时，使用人工神经网络进行损伤识别还有很长的路要走。
主要在模型误差、测量误差、测量数据完备、网络训练时长、训练所需样本量等方面做大量工作。
人工神经网络的方法的主要局限性在于训练数据集的获取，该法的识别的准确与否在很大程度上决定于训练数据集的完备程度和延续性。
3、基于小波分析的损伤识别小波分析具有多分辨率的特点，不管是在时域，还是在频域都有表征信号局部信息的能力，小波分析作为一种信号处理方法，在损伤检测与诊断中取得了很大的进展。
时频分析方法主要包括小波分析和小波包分析，近年又出现了Hilbert-Huang变换。
在国内，科研工作者利用小波奇异性理论对损伤结构的振动信号进行分析，判断结构发生损伤的时刻，并且给出了结构损伤的分类识别方法。
第1篇一、实验背景与目的随着现代工程结构的日益复杂化，对结构健康监测和损伤识别技术的要求越来越高。
模态损伤识别技术作为一种有效的结构健康监测手段，通过对结构振动模态参数的检测和分析，可以实现对结构损伤的快速定位和评估。
本实验旨在通过模态损伤识别技术，对钢筋混凝土梁进行损伤检测，验证该方法在实际工程中的应用价值。
二、实验材料与设备1. 实验材料：钢筋混凝土梁（尺寸：长×宽×高= 3m×0.2m×0.25m）2. 实验设备：- 动态信号分析仪：用于采集和记录结构振动信号- 传感器：加速度传感器，用于测量结构振动加速度- 位移传感器：用于测量结构振动位移- 信号调理器：用于放大和滤波信号- 数据采集卡：用于采集传感器信号三、实验方法与步骤1. 实验准备：- 将钢筋混凝土梁固定在实验台上，确保梁处于水平状态。
- 将加速度传感器和位移传感器分别安装在梁的两侧，并与动态信号分析仪和信号调理器连接。
- 调整传感器和信号调理器的参数，确保信号采集的准确性。
2. 结构振动信号采集：- 在梁的中部施加激励力，使梁产生振动。
- 利用动态信号分析仪采集梁的振动加速度和位移信号，记录振动信号的时间历程。
3. 模态分析：- 利用模态分析软件对采集到的振动信号进行处理，提取结构的模态参数，包括频率、阻尼比和振型等。
4. 损伤识别：- 根据结构的模态参数变化，利用损伤识别算法对梁的损伤进行定位和评估。
5. 实验结果分析：- 对实验结果进行分析，验证模态损伤识别技术的有效性。
四、实验结果与分析1. 实验结果：- 通过模态分析，得到了梁的频率、阻尼比和振型等模态参数。
- 根据损伤识别算法，成功定位了梁的损伤位置和损伤程度。
2. 实验分析：- 实验结果表明，模态损伤识别技术可以有效地对钢筋混凝土梁进行损伤检测。
- 损伤识别算法能够准确识别梁的损伤位置和损伤程度，为结构健康监测和维修提供了重要依据。
基于应变模态差的海洋平台构件的损伤识别研究*摘要：对于具有一定损伤的导管式海洋平台钢管梁来说，实验模态分析得到的位移模态和固有频率难以有效的反应结构损伤的实际状况，特别是对早期的轻微损伤。
为了提高损伤识别的效率和效果，根据海洋平台钢管梁架的受力特点，由节点位移模态推到出节点应变模态。
然后利用损伤前后的应变模态差作为损伤识别的指标。
将这个指标用在海洋平台钢梁构件焊缝和跨中单元的损伤识别上。
通过建立钢管梁焊缝损伤的ANSYS模型，进行数据模拟分析，该方法能够在低阶模态条件下，有效的识别早期的轻微损伤。
关键词:钢管梁应变模态焊缝损伤损伤识别Strain modal difference based damage identification studyAbstract:For steel-tube beam of jacket platform with certain degree of damage, it is difficult for the displacement modal and natural frequency, obtained by experimental modal analysis, to adequately capture the real structural damage conditions, especially for the minor damage encountered by beam early in its service life. To improve the precision and efficiency of damage identification, the present paper first derives nodal strain modal through its corresponding displacement modal, and then evaluates the strain modal, both prior and post damage. The difference between these two values is used as a criterion to assess the damage experienced by platform beam welds and mid-span elements. The formulated method has been demonstrated through ANSYS numerical modeling to be capable of effectively identifying the early low mode minor damage.Keywords: steel-tube beam; strain modal; weld damage; damage identification引言海洋平台结构复杂、造价昂贵、所处环境较为复杂，一旦发生结构损伤如果不能及时发现并维修，很可能引发生命、财产损失和环境污染。
