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【摘 要】阐述了对土木工程结构进行健康监测的重要性，介绍了结构健康损伤动态检测所依据的基本原理,并且对于各种检测方法做了介绍及评述，并指出其中存在的问题, 同时介绍了静态检测的相关方法。最后对结构健康监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
Summary on Structural Health Monitoring and Damage Detection
Bai Hua
(Hulunbeir Audit Bureau Hulunbeier Inner Mongolia 021008)
【Abstract】The article describes the health monitoring of civil engineering structure of the importance of the structural health damage introduced is based on dynamic detection of the basic principles, and for a variety of detection methods have been described and reviewed, and points out the problems, also introduced related methods of static testing. Finally, the field of structural health monitoring of future development were discussed.
【Key words】Structure;Health monitoring;Damage detection
1. 引言
近年来，随着中国经济高速的发展，住宅，商业楼，基础设施的建设也随之加快了脚步。如今新的住宅小区，办公楼比比皆是，这也提醒我们注意到了这样一个问题：任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护［1］等因素的影响而失效,如何保证这些建筑的使用效果，也就是说在其使用期限内，如何及时监测到结构的损伤以便采取相应的措施进行加固。工程结构自建成后, ,若没有适当的维护,将使结构状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。除了房屋外，一些重大土木工程结构，如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等，在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题，与人民的生命财产息息相关，已经引起人们的广泛关注。上述重要结构在经历了极端灾害性事件后，立即对他们的健康状况做出评估是非常必要的，实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，合理疏散居民，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。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。故而，结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。
2. 健康监测概述
结构的健康监测(Structural Health Monitoring，简称SHM)指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的［2］。健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况［3］。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Evaluation，简称NDE)不同，通常NDE技术运用直接测量确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度［4］。而SHM 技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。可以说，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术，它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。
3. 损伤检测识别标准与方法
损伤识别分为四个等级;第一等级是确定结构中是否存在损伤;第二等级是在第一等级的基础上确定损伤的几何位置;第三等级是在第二等级的基础上对损伤的严重程度进行量化;第四等级是在第三等级的基础上预测结构的剩余使用寿命［5］。迄今为止，基于振动分析的损伤识别方法只能解决等级一和等级二的问题。如果与结构模型联合起来，则可解决一部分等级三的问题。如果要解决等级四的问题，则还需要断裂力学、疲劳寿命分析或结构设计评估等多方面知识。损伤检测与识别大致可分成两种类型:基于振动的方法、静态检测方法。静态测量数据比较直接可靠，但进行数据测量需要进行封闭试验，会影响服役结构的正常使用。振动测试可以在结构处于工作状态下进行，易于把拾振传感器安装在结构深处;用做振动诊断的信号类型多，量值变化范围大，而且又是多维的，便于识别不同类型的故障。随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，使得数据采集、数据传输以及数据的实时分析技术与处理技术得到提升,这些技术在当今国内外的结构损伤检测中都得到了较好的运用［6］。因此，动态损伤识别方法的研究较多。动态方法按照所利用的特征量是否使用结构模型，可分为无模型识别方法和有模型识别方法两类。无模型方法不使用与结构模型有关的特征量，从振动的时程、频谱或时频分析推导而来［7］，但由于土木工程结构规模庞大，难以对损伤进行定量研究。有模型方法使用结构模型，基本是有限元模型，使用的是与结构模型有关的特征量，包括固有频率、模态振型、曲率模态及有限元模型信息等，该方法能克服使用无模型方法的局限性，因此正越来越得到研究者的关注。
4. 动态检测方法的基本方法原理
利用结构的振动响应和系统动态特性进行结构损伤探测是目前国内外研究的热点和难点。这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息、与损伤结构的振动响应进行比较，从而判断结构损伤的位置和损伤的程度。众所周知，任何结构系统都可以看作是刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数随之发生改变，从而导致系统的频率响应函数和模态参数(频率和振型等)的改变，所以，结构的模态参数的改变可以视为结构发生早期损伤的标志，成为用振动方法进行结构损伤诊断的切入点。
结构损伤探测的基本问题可以归结为如何从给定的结构动力特性的测量，通过恰当的分析方法确定损伤的出现、出现的位置和损伤的程度。通常，结构损伤位置的确定等价于在结构中确定结构刚度和承载能力有所下降的区域，在线损伤探测可在结构服役期间通过周期性的参数识别、模态分析［8］来探测结构的损伤位置和程度。
由损伤结构得到的结构动态特性［9］，如固有频率和振型均可以和未损伤结构的系统质量矩阵和刚度矩阵相关联，人们为了寻找解决结构损伤识别问题的方法途径，进行了许许多多的研究工作，出现了很多方法，目前，从公开发表的资料来看，根据损伤识别所用的信息来分析，损伤识别原理可概括如下［10］:
4.1 基于固有频率的变化［11］［12］［13］。
当结构出现损伤时，结构的固有频率就要发生变化。基于固有频率测量的损伤诊断很具有吸引力，因为在实际结构中，频率易于测量而且与测量位置无关，频率测量的误差较振型和阻尼的误差小，可以讲，基于频率变化进行损伤识别的方法很多，但频率测量不足以对损伤诊断提供足够的信息。不同形式的结构损伤可能产生相似的频率变化特性;对称位置上的损伤也将产生相同的频率变化;固有频率对结构损伤不敏感，因此利用固有频率进行损伤识别有其局限性。
4.2 基于刚度的变化［14］。
当一个结构发生损伤时，必然伴随结构刚度的下降，利用刚度矩阵的变化进行损伤识别有很多人研究。但是，结构损伤严重时，结构刚度有显著的变化，但是当结构损伤较为轻微时，利用刚度损伤很难进行损伤识别。例如对剪切型框架，利用其刚度矩阵是三对角矩阵的特点，由结构前两阶模态，识别结构的刚度矩阵；对于一般框架结构，通过对特征值反问题中一定带宽刚度矩阵的识别方法的改进，用较少阶模态就可以精确得到结构的刚度矩阵。由所得到的结构刚度矩阵识别结构的损伤参数。对于剪切型结构，根据矩阵中三对角元素与层间剪切刚度的线性关系，直接求解线性方程组便可得到；对于一般结构，考虑刚度参数与损伤参数的关系，用损伤后刚度矩阵来识别损伤。
4.3 利用振型的变化［15］。
4.3.1 位移模态 ［16］。
该方法利用损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值作为损伤的定位参数。当结构发生破损时，受到影响的自由度上振型的相对变化量在损伤区域必然出现比较大的比值，利用振型相对变化可以识别结构的损伤位置与损伤程度。但基于振型变化的损伤识别技术在应用中面临着测量振型不完备和噪声影响问题，当缺少破损影响较大的测量模态，就难以识别结构的损伤。
4.3.2 曲率模态［17］。
如果结构出现损伤，则在损伤处的刚度会降低。变形的曲率与结构的刚度成反比，当结构局部出现损伤时，此处的曲率P就会增大，从而引起振型曲线的曲率增大。因此可根据振型曲率的变化来确定结构损伤的发生与损伤的位置。
该方法的不足之处，为了获得准确的识别精度，在进行振动测试与模态分析时，需要设置非常临近的测点，以便利用中心差分法求取曲率模态，此外，还需要测出多阶模态进行综合评价。就诊断方法而言，除了单一参数、单一故障的技术诊断外，目前多参量、多故障的综合诊断技术已经兴起。人工智能的研究成果为损伤诊断注入了新的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展，而且国内外已有许多成功的应用实例。
4.4 基于柔度的变化。
4.4.1 柔度差值。
当结构有损伤时，损伤处的柔度将有较大的变化，于是，将位移随节点的变化曲线绘出，就能得出损伤位置所在。可见，柔度矩阵与固有频率的平方成反比，因此只需获得结构的低阶模态信息就可以得到比较准确的柔度矩阵。随着频率的增加，高阶振型对柔度的影响小，可以由结构前几阶振型计算结构损伤后的柔度矩阵，通过损伤前后柔度矩阵的比较，确定结构的损伤位置。如果利用结构刚度矩阵的改变来进行损伤识别，则需要高阶模态信息，这在实际测量中是不可能做到的。因此，结构损伤识别的柔度差法与刚度矩阵法相比有其明显的优势。
4.4.2柔度差值曲率。
另外结构出现损伤使损伤前、后柔度差值δF发生变化，而损伤处的柔度差值δF必然有较大的改变，变化的程度可以通过对坐标位置的一阶导数、二级导数的作用，即求柔度差值δF的曲率，将变得显而易见。从数学意义上讲，柔度差值的曲率反映了柔度差值随节点变化的急剧程度，显然在损伤处，柔度差值较结构完好单元的变化要大，表现为柔度差值的曲率大，而结构完好单元柔度差值的曲率要小，或者说接近于0。基于此，我们可以更为清晰地识别结构的损伤位置。该方法简便易行，但有损悬臂梁的分析证实，基于柔度改变的损伤定位存在模糊定位与错误定位的问题。
5. 静态检测方法［18］
5.1 射线法。
射线法是利用x 射线或γ 射线以及中子射线易于穿透物体，且在穿透过程中受到吸收和散射而衰减的性质，在感光材料中获取与材料内部结构和缺陷相对应的透射相片，从而检测出物体内部的缺陷情况。这种方法的缺点是所需的设备笨重，且对建筑物有一定程度的破坏。而且，由于建筑物对x 射线或γ 射线的吸收问题，使得穿透深度很小而得不到广泛应用。因此，这种方法对于大型建筑物或大型横梁、桥墩、水库堤坝的非破损检测效果不理想。
5.2 声发射检测法。
声发射检测法是利用物体受到外力或内力作用产生变形或断裂，造成应力松弛，储存的部分能量以应力波形式释放出来的现象。声发射应力波的声源是物体内部的微裂纹、位错或内部有微观、宏观变化的部位。因此，声发射是从获得的信号中探求声源性质的方法。该方法自1964 年声发射被首次证明可用于工程结构以来，有关声发射的研究比较缓慢，主要原因是声发射信号的复杂多变难以提取和易受外界干扰造成信息的失真。
5.3 超声波法。
超声波法是一种应用十分广泛的无损检测方法，其基本原理是利用超声波在介质中的传播特性，依据声学规律，超声波的声学量，如超声声速、传播时间、超声衰减和频谱等与物体的几何、力学量相联系，因此，通过分析超声波波形特点和测量这些声学量来确定物体或材料的几何、力学特性及内部缺陷的大小和方位。一般来说，它只适用于检查几何形状比较简单的小型构件。
5.4 雷达波法。
雷达波法是利用发射天线将高频电磁波（10- 2000MHz）以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体反射后回到表面，回波信号由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形通过介质的电性性质及几何形态变化，根据接收反射回波的双程走时，幅度和相位等信息，对介质的内部结构和缺陷等进行准确定位。目前该方法主要用于检测一些地下隐蔽设施和道路工程。
5.5 红外检测法。
红外辐射是由原子或分子的振动引起的。自然界中的任何温度高于绝对零度的物体都能辐射红外线，红外辐射功率与物体表面温度密切相关，而其表面温度场的分布直接反映了传热时材料的热工性质、内部结构及表面状况对热分布的影响。因此，红外检测法是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像，通过直观地分析物体表面的温度分布，推定物体表面的结构状态和缺陷，并以此判断材料的性质和受损情况的一种无损检测方法。红外法可定性定量地分析和诊断火灾混凝土的损伤情况，对火灾检测是一大进步。
上述局部无损检测方法在应用上有很多共同的局限：
5.5.1 是要求事先知道损伤的近似位置及损伤的结构可以接近。
5.5.2 是结构的一些部位难以到达，对于一些大型结构特别是比较复杂的大型结构检测其损伤是不可能的。
5.5.3 是这类方法是定期的人工检测方法，要求结构的一些功能在检测期停止使用或工作，造成一定的经济损失。
5.5.4 是不能及时发现间隔期内的损伤。
5.5.5 是不能对结构实施实时、在线、连续的监测。
6. 结语
随着经济高速发展，国家已经投入了大量资金用于土木基础设施的发展,为了保持这些投资价值,必须注意适当的维护,SHM已经作为一种支持这一工作的工具而出现了。尽管已经发展了很多基于结构振动响应和系统动力参数的损伤检测方法,但由于结构损伤的复杂性和各种影响因素的不确定性,这些方法的实际应用还存在很多困难。基于多学科交叉的SHM将是更加先进的技术,除了要有深厚的结构知识外,还需要了解其他相关学科知识,只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合,才有可能提高结构损伤检测的准确性。从以上对SHM和结构损伤检测的最新文献分析和总结可知,目前亟待解决的课题还有很多,例如［19］：
6.1 结构损伤机制和损伤结构的动力模型研究。实际结构损伤数据总是不足和有限的,通过大量试验获得结构损伤标准案例昂贵且费时,因此为获得多样的结构损伤样例可通过建立损伤结构的动态模型进行数值仿真。实际上,怎样在结构损伤机制中引入结构动力模型将是研究的基础和前提。
6.2 从结构振动响应数据中构造、提取和优化高灵敏度的结构损伤特性参数研究。这是成功进行损伤检测的关键,因存在各种特性参数,该主题的研究很有意义。
6.3 发展基于多学科交叉的结构损伤检测技术。随着信息科学、人工智能、智能结构和高等动力分析技术的发展,新的结构损伤检测技术将陆续出现。
6.4 通过评估当前系统的损伤状态,估计系统在可能的荷载环境下的剩余使用寿命,即损伤预测研究。损伤预测能力的成功发展需要许多技术领域,包括测量、软件和硬件以及结构可靠度、结构损伤力学等方面的支持。这些课题需要我们持续不断地研究和实践，以取得更大的进展。
参考文献
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［4］ 孙鸿敏,李宏男.土木工程结构健康监测研究进展［J］.防灾减灾工程学报,2003,23(3):92-98.
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［文章编号］1006-7619（2011）02-13-066
［作者简介］ 白桦（1978.05.06-）女，蒙族，籍贯：内蒙古通辽市，学历：法律本科，职称：审计师、助理工程师，毕业于天津城市建设学院建筑工程专业。工作单位：呼伦贝尔市审计局。
【关键词】结构；健康监测；损伤检测
Summary on Structural Health Monitoring and Damage Detection
Bai Hua
(Hulunbeir Audit Bureau Hulunbeier Inner Mongolia 021008)
【Abstract】The article describes the health monitoring of civil engineering structure of the importance of the structural health damage introduced is based on dynamic detection of the basic principles, and for a variety of detection methods have been described and reviewed, and points out the problems, also introduced related methods of static testing. Finally, the field of structural health monitoring of future development were discussed.
【Key words】Structure;Health monitoring;Damage detection
1. 引言
近年来，随着中国经济高速的发展，住宅，商业楼，基础设施的建设也随之加快了脚步。如今新的住宅小区，办公楼比比皆是，这也提醒我们注意到了这样一个问题：任何土木结构都会由于材料本身老化、过度使用、环境侵蚀、缺乏维护［1］等因素的影响而失效,如何保证这些建筑的使用效果，也就是说在其使用期限内，如何及时监测到结构的损伤以便采取相应的措施进行加固。工程结构自建成后, ,若没有适当的维护,将使结构状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。除了房屋外，一些重大土木工程结构，如水坝、桥梁、电厂、军事设施、高层建筑等，在遭受地震、洪水、飓风、爆炸等自然或人为灾害时的安全问题，与人民的生命财产息息相关，已经引起人们的广泛关注。上述重要结构在经历了极端灾害性事件后，立即对他们的健康状况做出评估是非常必要的，实时地监测和预报结构的性能，及时发现和估计结构内部损伤的位置和程度，预测结构的性能变化和剩余寿命并做出维护决定，合理疏散居民，对提高工程结构的运营效率，保障人民生命财产安全具有极其重大的意义。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。故而，结构的健康监测技术成为当前国内外研究的热点问题。
2. 健康监测概述
结构的健康监测(Structural Health Monitoring，简称SHM)指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的［2］。健康监测的过程包括：通过一系列传感器得到系统定时取样的动力响应测量值，从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子，并对这些特征因子进行统计分析，从而获得结构当前的健康状况［3］。对于长期的健康监测，系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的完成预期功能变化的适时信息。结构的健康监测技术是要发展一种最小人工干预的结构健康的在线实时连续监测、检查与损伤探测的自动化系统，能够通过局域网络或远程中心，自动地报告结构状态。它与传统的无损检测技术(Nondestructive Evaluation，简称NDE)不同，通常NDE技术运用直接测量确定结构的物理状态，无需历史记录数据，诊断结果很大程度取决于测量设备的分辨率和精度［4］。而SHM 技术是根据结构在同一位置上不同时间的测量结果的变化来识别结构的状态，因此历史数据至关重要。识别的精度强烈依赖于传感器和解释算法。可以说，健康监测有可能将目前广泛采用的离线、静态、被动的损伤检测，转变为在线、动态、实时的监测与控制，这将导致工程结构安全监控、减灾防灾领域的一场革命。显然结构健康监测技术是一个跨学科的综合性技术，它包括工程结构、动力学、信号处理、传感技术、通讯技术、材料学、模式识别等多方面的知识。
3. 损伤检测识别标准与方法
损伤识别分为四个等级;第一等级是确定结构中是否存在损伤;第二等级是在第一等级的基础上确定损伤的几何位置;第三等级是在第二等级的基础上对损伤的严重程度进行量化;第四等级是在第三等级的基础上预测结构的剩余使用寿命［5］。迄今为止，基于振动分析的损伤识别方法只能解决等级一和等级二的问题。如果与结构模型联合起来，则可解决一部分等级三的问题。如果要解决等级四的问题，则还需要断裂力学、疲劳寿命分析或结构设计评估等多方面知识。损伤检测与识别大致可分成两种类型:基于振动的方法、静态检测方法。静态测量数据比较直接可靠，但进行数据测量需要进行封闭试验，会影响服役结构的正常使用。振动测试可以在结构处于工作状态下进行，易于把拾振传感器安装在结构深处;用做振动诊断的信号类型多，量值变化范围大，而且又是多维的，便于识别不同类型的故障。随着现代传感器技术、微电子技术、计算机技术的发展，使得数据采集、数据传输以及数据的实时分析技术与处理技术得到提升,这些技术在当今国内外的结构损伤检测中都得到了较好的运用［6］。因此，动态损伤识别方法的研究较多。动态方法按照所利用的特征量是否使用结构模型，可分为无模型识别方法和有模型识别方法两类。无模型方法不使用与结构模型有关的特征量，从振动的时程、频谱或时频分析推导而来［7］，但由于土木工程结构规模庞大，难以对损伤进行定量研究。有模型方法使用结构模型，基本是有限元模型，使用的是与结构模型有关的特征量，包括固有频率、模态振型、曲率模态及有限元模型信息等，该方法能克服使用无模型方法的局限性，因此正越来越得到研究者的关注。
4. 动态检测方法的基本方法原理
利用结构的振动响应和系统动态特性进行结构损伤探测是目前国内外研究的热点和难点。这种方法利用未损伤结构的数学模型连同未损伤的振动试验数据作为探测有损结构的振动信息、与损伤结构的振动响应进行比较，从而判断结构损伤的位置和损伤的程度。众所周知，任何结构系统都可以看作是刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数随之发生改变，从而导致系统的频率响应函数和模态参数(频率和振型等)的改变，所以，结构的模态参数的改变可以视为结构发生早期损伤的标志，成为用振动方法进行结构损伤诊断的切入点。
结构损伤探测的基本问题可以归结为如何从给定的结构动力特性的测量，通过恰当的分析方法确定损伤的出现、出现的位置和损伤的程度。通常，结构损伤位置的确定等价于在结构中确定结构刚度和承载能力有所下降的区域，在线损伤探测可在结构服役期间通过周期性的参数识别、模态分析［8］来探测结构的损伤位置和程度。
由损伤结构得到的结构动态特性［9］，如固有频率和振型均可以和未损伤结构的系统质量矩阵和刚度矩阵相关联，人们为了寻找解决结构损伤识别问题的方法途径，进行了许许多多的研究工作，出现了很多方法，目前，从公开发表的资料来看，根据损伤识别所用的信息来分析，损伤识别原理可概括如下［10］:
4.1 基于固有频率的变化［11］［12］［13］。
当结构出现损伤时，结构的固有频率就要发生变化。基于固有频率测量的损伤诊断很具有吸引力，因为在实际结构中，频率易于测量而且与测量位置无关，频率测量的误差较振型和阻尼的误差小，可以讲，基于频率变化进行损伤识别的方法很多，但频率测量不足以对损伤诊断提供足够的信息。不同形式的结构损伤可能产生相似的频率变化特性;对称位置上的损伤也将产生相同的频率变化;固有频率对结构损伤不敏感，因此利用固有频率进行损伤识别有其局限性。
4.2 基于刚度的变化［14］。
当一个结构发生损伤时，必然伴随结构刚度的下降，利用刚度矩阵的变化进行损伤识别有很多人研究。但是，结构损伤严重时，结构刚度有显著的变化，但是当结构损伤较为轻微时，利用刚度损伤很难进行损伤识别。例如对剪切型框架，利用其刚度矩阵是三对角矩阵的特点，由结构前两阶模态，识别结构的刚度矩阵；对于一般框架结构，通过对特征值反问题中一定带宽刚度矩阵的识别方法的改进，用较少阶模态就可以精确得到结构的刚度矩阵。由所得到的结构刚度矩阵识别结构的损伤参数。对于剪切型结构，根据矩阵中三对角元素与层间剪切刚度的线性关系，直接求解线性方程组便可得到；对于一般结构，考虑刚度参数与损伤参数的关系，用损伤后刚度矩阵来识别损伤。
4.3 利用振型的变化［15］。
4.3.1 位移模态 ［16］。
该方法利用损伤前后振型的差值与损伤前振型的比值作为损伤的定位参数。当结构发生破损时，受到影响的自由度上振型的相对变化量在损伤区域必然出现比较大的比值，利用振型相对变化可以识别结构的损伤位置与损伤程度。但基于振型变化的损伤识别技术在应用中面临着测量振型不完备和噪声影响问题，当缺少破损影响较大的测量模态，就难以识别结构的损伤。
4.3.2 曲率模态［17］。
如果结构出现损伤，则在损伤处的刚度会降低。变形的曲率与结构的刚度成反比，当结构局部出现损伤时，此处的曲率P就会增大，从而引起振型曲线的曲率增大。因此可根据振型曲率的变化来确定结构损伤的发生与损伤的位置。
该方法的不足之处，为了获得准确的识别精度，在进行振动测试与模态分析时，需要设置非常临近的测点，以便利用中心差分法求取曲率模态，此外，还需要测出多阶模态进行综合评价。就诊断方法而言，除了单一参数、单一故障的技术诊断外，目前多参量、多故障的综合诊断技术已经兴起。人工智能的研究成果为损伤诊断注入了新的活力，故障诊断的专家系统不仅在理论上得到了相当的发展，而且国内外已有许多成功的应用实例。
4.4 基于柔度的变化。
4.4.1 柔度差值。
当结构有损伤时，损伤处的柔度将有较大的变化，于是，将位移随节点的变化曲线绘出，就能得出损伤位置所在。可见，柔度矩阵与固有频率的平方成反比，因此只需获得结构的低阶模态信息就可以得到比较准确的柔度矩阵。随着频率的增加，高阶振型对柔度的影响小，可以由结构前几阶振型计算结构损伤后的柔度矩阵，通过损伤前后柔度矩阵的比较，确定结构的损伤位置。如果利用结构刚度矩阵的改变来进行损伤识别，则需要高阶模态信息，这在实际测量中是不可能做到的。因此，结构损伤识别的柔度差法与刚度矩阵法相比有其明显的优势。
4.4.2柔度差值曲率。
另外结构出现损伤使损伤前、后柔度差值δF发生变化，而损伤处的柔度差值δF必然有较大的改变，变化的程度可以通过对坐标位置的一阶导数、二级导数的作用，即求柔度差值δF的曲率，将变得显而易见。从数学意义上讲，柔度差值的曲率反映了柔度差值随节点变化的急剧程度，显然在损伤处，柔度差值较结构完好单元的变化要大，表现为柔度差值的曲率大，而结构完好单元柔度差值的曲率要小，或者说接近于0。基于此，我们可以更为清晰地识别结构的损伤位置。该方法简便易行，但有损悬臂梁的分析证实，基于柔度改变的损伤定位存在模糊定位与错误定位的问题。
5. 静态检测方法［18］
5.1 射线法。
射线法是利用x 射线或γ 射线以及中子射线易于穿透物体，且在穿透过程中受到吸收和散射而衰减的性质，在感光材料中获取与材料内部结构和缺陷相对应的透射相片，从而检测出物体内部的缺陷情况。这种方法的缺点是所需的设备笨重，且对建筑物有一定程度的破坏。而且，由于建筑物对x 射线或γ 射线的吸收问题，使得穿透深度很小而得不到广泛应用。因此，这种方法对于大型建筑物或大型横梁、桥墩、水库堤坝的非破损检测效果不理想。
5.2 声发射检测法。
声发射检测法是利用物体受到外力或内力作用产生变形或断裂，造成应力松弛，储存的部分能量以应力波形式释放出来的现象。声发射应力波的声源是物体内部的微裂纹、位错或内部有微观、宏观变化的部位。因此，声发射是从获得的信号中探求声源性质的方法。该方法自1964 年声发射被首次证明可用于工程结构以来，有关声发射的研究比较缓慢，主要原因是声发射信号的复杂多变难以提取和易受外界干扰造成信息的失真。
5.3 超声波法。
超声波法是一种应用十分广泛的无损检测方法，其基本原理是利用超声波在介质中的传播特性，依据声学规律，超声波的声学量，如超声声速、传播时间、超声衰减和频谱等与物体的几何、力学量相联系，因此，通过分析超声波波形特点和测量这些声学量来确定物体或材料的几何、力学特性及内部缺陷的大小和方位。一般来说，它只适用于检查几何形状比较简单的小型构件。
5.4 雷达波法。
雷达波法是利用发射天线将高频电磁波（10- 2000MHz）以宽频带短脉冲形式送入介质内部，经目标体反射后回到表面，回波信号由接收天线接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形通过介质的电性性质及几何形态变化，根据接收反射回波的双程走时，幅度和相位等信息，对介质的内部结构和缺陷等进行准确定位。目前该方法主要用于检测一些地下隐蔽设施和道路工程。
5.5 红外检测法。
红外辐射是由原子或分子的振动引起的。自然界中的任何温度高于绝对零度的物体都能辐射红外线，红外辐射功率与物体表面温度密切相关，而其表面温度场的分布直接反映了传热时材料的热工性质、内部结构及表面状况对热分布的影响。因此，红外检测法是把来自目标的红外辐射转变成可见的热图像，通过直观地分析物体表面的温度分布，推定物体表面的结构状态和缺陷，并以此判断材料的性质和受损情况的一种无损检测方法。红外法可定性定量地分析和诊断火灾混凝土的损伤情况，对火灾检测是一大进步。
上述局部无损检测方法在应用上有很多共同的局限：
5.5.1 是要求事先知道损伤的近似位置及损伤的结构可以接近。
5.5.2 是结构的一些部位难以到达，对于一些大型结构特别是比较复杂的大型结构检测其损伤是不可能的。
5.5.3 是这类方法是定期的人工检测方法，要求结构的一些功能在检测期停止使用或工作，造成一定的经济损失。
5.5.4 是不能及时发现间隔期内的损伤。
5.5.5 是不能对结构实施实时、在线、连续的监测。
6. 结语
随着经济高速发展，国家已经投入了大量资金用于土木基础设施的发展,为了保持这些投资价值,必须注意适当的维护,SHM已经作为一种支持这一工作的工具而出现了。尽管已经发展了很多基于结构振动响应和系统动力参数的损伤检测方法,但由于结构损伤的复杂性和各种影响因素的不确定性,这些方法的实际应用还存在很多困难。基于多学科交叉的SHM将是更加先进的技术,除了要有深厚的结构知识外,还需要了解其他相关学科知识,只有结构振动理论与信号处理、模式识别、人工智能、控制理论和材料科学等相结合,才有可能提高结构损伤检测的准确性。从以上对SHM和结构损伤检测的最新文献分析和总结可知,目前亟待解决的课题还有很多,例如［19］：
6.1 结构损伤机制和损伤结构的动力模型研究。实际结构损伤数据总是不足和有限的,通过大量试验获得结构损伤标准案例昂贵且费时,因此为获得多样的结构损伤样例可通过建立损伤结构的动态模型进行数值仿真。实际上,怎样在结构损伤机制中引入结构动力模型将是研究的基础和前提。
6.2 从结构振动响应数据中构造、提取和优化高灵敏度的结构损伤特性参数研究。这是成功进行损伤检测的关键,因存在各种特性参数,该主题的研究很有意义。
6.3 发展基于多学科交叉的结构损伤检测技术。随着信息科学、人工智能、智能结构和高等动力分析技术的发展,新的结构损伤检测技术将陆续出现。
6.4 通过评估当前系统的损伤状态,估计系统在可能的荷载环境下的剩余使用寿命,即损伤预测研究。损伤预测能力的成功发展需要许多技术领域,包括测量、软件和硬件以及结构可靠度、结构损伤力学等方面的支持。这些课题需要我们持续不断地研究和实践，以取得更大的进展。
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［文章编号］1006-7619（2011）02-13-066
［作者简介］ 白桦（1978.05.06-）女，蒙族，籍贯：内蒙古通辽市，学历：法律本科，职称：审计师、助理工程师，毕业于天津城市建设学院建筑工程专业。工作单位：呼伦贝尔市审计局。