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【摘 要】 建筑结构动力能量损伤识别是当前土木工程领域一个前沿研究课题，与高效率、高精度的信号采集和分析仪器相结合，基于动力测试的系统识别技术正逐步成为工程结构健康检测的重要手段。由于测试仪器和技术的原因，实际工程中一般难以获得结构楼层的转角信息，这是短期内难以解决的问题。
【关键词】
【中图分类号】 TU312.1 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123（2011）01-003-01
国内外学者通过对传统的损伤识别方法的不断改进，提出了未知激励条件下的一些较为先进的损伤识别方法。如W ang等Link等。然而这些方法的数学推导和计算都相对比较复杂。本文结合扩展卡尔曼滤波算法及递推最小二乘算法，推导出一种新的结构分析和计算都更加直观、更加简洁的方法进行输入未知与输出部分观测情况下的结构损伤识别，并且能基于子结构的思想，对复杂结构进行局部损伤定位和识别。本章从实用的角度出发，在频域法中提出了基于结构频率能量特征的“能量一损伤”的损伤诊断法，利用噪声的随机性进行建筑结构损伤分析；在时域法研究中，对剪切结构模型的时域参数识别的一些关键问题进行了研究。
1 “能量——损伤”的理论依据
当建筑结构出现损伤或称系统出现故障时，其传递函数将会改变，不同频率的幅频特性和相频特性将会有不同程度的改变。在实际结构损伤识别中，考虑到结构的复杂性和高昂的费用，测试结构输入和输出的传感器数量是有限的，因此，本文提出采用卡尔曼滤波方法和最小二乘估计，在简化的结构模型基础上，以尽可能少的传感器获得响应来进行结构损伤的初步定位。此即为第1阶段的损伤识别，第2阶段集中对发生损伤的结构部分进行定位和精确识别。利用有限元模型，取出可能存在损伤的了结构部分，得子结构部分的运动方程如下:
F(m△f)=△tf（n△t）e-j2πm△fn△t
当用一个含有丰富频率成分的信号作为输入对系统的激励时，由于系统特性变化对各频率成分的抑制和增强作用发生改变，通常，它会明显地对某些频率成分起到抑制作用，而另外一些频率成分起着增强作用。因此，其输出与正常系统相比，相同频带内信号的能量会有较大的差别，它使某些频带内信号能量减小，而使另外一些频带内的信号能量增大。因此，在各频率成份信号的能量中，包含着丰富的建筑结构损伤信息，某些或某几种频率成份能量的改变即代表了一种损伤情况。对于房屋结构而言，在随机激励作用下，结构的动力响应同样具有随机信号特征。测试的信号中包既含有结构参数信息，也包含随机噪声信号，通过随机信号分析，提取结构特征信息，达到建筑结构损伤识别的目的。
2“能量——损伤”参数识别方法的算法
从以上分析可知，输出信号的各频率成份能量的变化表征了结构刚度降低的信息，基于这一点，本文提出了基于“能量一损伤”的参数识别方法，该方法可以通过改变刚度的试验方法获得各频率成份能量的变化来诊断损伤，或通过结构有限元模型数值模拟得到各频率成份能量变化进行建筑结构损伤识别。确定正常和各种损伤状态下，特征向量的特征值及容差范围。特征值和容差范围的确定可以通过机理分析求得，同时，也可以通过实验统计的方法确定。机理分析的方法要基于系统模型，实验统计方法不依赖系统的数学模型。但对于实际工程结构，我们无法进行损伤统计实验，一般只能通过机理分析获得相关特征向量。此处以得出相关向量的方程为：
A(m△f)=
3建筑结构物理参数的频域识别法
基于模态转换理论的结构理参数的识别方法，是指利用实测的模态参数，通过求解结构动力学特征值的反问题识别结构物理参数的方法。识别准则是:结构模型所计算的结构模态与实测结构模态一致。在时域法中也可分为结构模态参数的时域识别和结构物理参数的时域识别。结构模态参数的时域识别法是指时间域内识别结构模态参数的方法。时域法所采用的是结构反应的时间历程，主要为结构的自由振动反应，有的也采用结构的脉冲反应和强迫振动反应。目前提出的结构模态参数时域识别法主要有ITD法、STD法、Prony法、随机减量法和ARMA模型法等。结构物理参数的时域识别根据识别过程又可分为间接法和直接法。间接法，即先利用频域或时域数据识别模态参数，再由模态参数识别结构物理参数；直接法，则意味着直接利用结构动力反应的时程测量信息来识别结构物理参数。
4结构动力学系统识别
结构动力学系统识别是动力学研究的逆问题，它利用系统在试验和运行中获得的输入和输出数据，采用系统识别技术，建立反映系统本质动态特性的数学模型，并确定模型中的待定参数。结构动力学系统遵循牛顿力学基本定律，所以系统的理论模型往往是已知的，需要识别的只是模型中某些待定的物理参数或系统的动力学特性参数。系统内部的某些物理机制不清楚时，则需要进行理论模型或模型类的识别。此外，如果采用时序分析模型识别结构模态参数，则时序模型阶的确定也属于理论模型识别的范畴。
5结语
结构特征响应信息是指结构在结构地脉动随机激励下，动力响应的部分信息，是在某种激励下可以实现的一个响应。因此，根据结构特征响应信息同样可以进行结构系统的动力识别。数值仿真计算表明，结构固有频率附近的地脉动信号具有较高的信噪比，通过结构特征响应信息提取技术获取该频段的响应信号并进行识别，能显著提高结构刚度参数的识别精度。
参考文献
1李国强等.工程结构动力检测理论与应用.[D].北京:科学出版社， 2002.4 1-279
2蔡金狮.动力学系统辨识与建模[M].北京:国防工业出版社，1991
3川方崇智等.过程辨识[M].北京:清华大学出版社，1988
4袁亚湘等.最优化理论瑜方法[M].北京:科学出版社2001
5傅志方等星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社， 2000，1-394
6张令弥.结构力学中的几种模态识别方法[J].地震工程与工程振动， 1981(2)
【关键词】
【中图分类号】 TU312.1 【文献标识码】 A【文章编号】 1727-5123（2011）01-003-01
国内外学者通过对传统的损伤识别方法的不断改进，提出了未知激励条件下的一些较为先进的损伤识别方法。如W ang等Link等。然而这些方法的数学推导和计算都相对比较复杂。本文结合扩展卡尔曼滤波算法及递推最小二乘算法，推导出一种新的结构分析和计算都更加直观、更加简洁的方法进行输入未知与输出部分观测情况下的结构损伤识别，并且能基于子结构的思想，对复杂结构进行局部损伤定位和识别。本章从实用的角度出发，在频域法中提出了基于结构频率能量特征的“能量一损伤”的损伤诊断法，利用噪声的随机性进行建筑结构损伤分析；在时域法研究中，对剪切结构模型的时域参数识别的一些关键问题进行了研究。
1 “能量——损伤”的理论依据
当建筑结构出现损伤或称系统出现故障时，其传递函数将会改变，不同频率的幅频特性和相频特性将会有不同程度的改变。在实际结构损伤识别中，考虑到结构的复杂性和高昂的费用，测试结构输入和输出的传感器数量是有限的，因此，本文提出采用卡尔曼滤波方法和最小二乘估计，在简化的结构模型基础上，以尽可能少的传感器获得响应来进行结构损伤的初步定位。此即为第1阶段的损伤识别，第2阶段集中对发生损伤的结构部分进行定位和精确识别。利用有限元模型，取出可能存在损伤的了结构部分，得子结构部分的运动方程如下:
F(m△f)=△tf（n△t）e-j2πm△fn△t
当用一个含有丰富频率成分的信号作为输入对系统的激励时，由于系统特性变化对各频率成分的抑制和增强作用发生改变，通常，它会明显地对某些频率成分起到抑制作用，而另外一些频率成分起着增强作用。因此，其输出与正常系统相比，相同频带内信号的能量会有较大的差别，它使某些频带内信号能量减小，而使另外一些频带内的信号能量增大。因此，在各频率成份信号的能量中，包含着丰富的建筑结构损伤信息，某些或某几种频率成份能量的改变即代表了一种损伤情况。对于房屋结构而言，在随机激励作用下，结构的动力响应同样具有随机信号特征。测试的信号中包既含有结构参数信息，也包含随机噪声信号，通过随机信号分析，提取结构特征信息，达到建筑结构损伤识别的目的。
2“能量——损伤”参数识别方法的算法
从以上分析可知，输出信号的各频率成份能量的变化表征了结构刚度降低的信息，基于这一点，本文提出了基于“能量一损伤”的参数识别方法，该方法可以通过改变刚度的试验方法获得各频率成份能量的变化来诊断损伤，或通过结构有限元模型数值模拟得到各频率成份能量变化进行建筑结构损伤识别。确定正常和各种损伤状态下，特征向量的特征值及容差范围。特征值和容差范围的确定可以通过机理分析求得，同时，也可以通过实验统计的方法确定。机理分析的方法要基于系统模型，实验统计方法不依赖系统的数学模型。但对于实际工程结构，我们无法进行损伤统计实验，一般只能通过机理分析获得相关特征向量。此处以得出相关向量的方程为：
A(m△f)=
3建筑结构物理参数的频域识别法
基于模态转换理论的结构理参数的识别方法，是指利用实测的模态参数，通过求解结构动力学特征值的反问题识别结构物理参数的方法。识别准则是:结构模型所计算的结构模态与实测结构模态一致。在时域法中也可分为结构模态参数的时域识别和结构物理参数的时域识别。结构模态参数的时域识别法是指时间域内识别结构模态参数的方法。时域法所采用的是结构反应的时间历程，主要为结构的自由振动反应，有的也采用结构的脉冲反应和强迫振动反应。目前提出的结构模态参数时域识别法主要有ITD法、STD法、Prony法、随机减量法和ARMA模型法等。结构物理参数的时域识别根据识别过程又可分为间接法和直接法。间接法，即先利用频域或时域数据识别模态参数，再由模态参数识别结构物理参数；直接法，则意味着直接利用结构动力反应的时程测量信息来识别结构物理参数。
4结构动力学系统识别
结构动力学系统识别是动力学研究的逆问题，它利用系统在试验和运行中获得的输入和输出数据，采用系统识别技术，建立反映系统本质动态特性的数学模型，并确定模型中的待定参数。结构动力学系统遵循牛顿力学基本定律，所以系统的理论模型往往是已知的，需要识别的只是模型中某些待定的物理参数或系统的动力学特性参数。系统内部的某些物理机制不清楚时，则需要进行理论模型或模型类的识别。此外，如果采用时序分析模型识别结构模态参数，则时序模型阶的确定也属于理论模型识别的范畴。
5结语
结构特征响应信息是指结构在结构地脉动随机激励下，动力响应的部分信息，是在某种激励下可以实现的一个响应。因此，根据结构特征响应信息同样可以进行结构系统的动力识别。数值仿真计算表明，结构固有频率附近的地脉动信号具有较高的信噪比，通过结构特征响应信息提取技术获取该频段的响应信号并进行识别，能显著提高结构刚度参数的识别精度。
参考文献
1李国强等.工程结构动力检测理论与应用.[D].北京:科学出版社， 2002.4 1-279
2蔡金狮.动力学系统辨识与建模[M].北京:国防工业出版社，1991
3川方崇智等.过程辨识[M].北京:清华大学出版社，1988
4袁亚湘等.最优化理论瑜方法[M].北京:科学出版社2001
5傅志方等星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社， 2000，1-394
6张令弥.结构力学中的几种模态识别方法[J].地震工程与工程振动， 1981(2)