1. 引言

近年來，隨著中國經濟高速的發展，住宅，商業樓，基礎設施的（de）建設也隨之加快（kuài）了腳步。如今（jīn）新（xīn）的（de）住宅小區，辦公樓比比皆是（shì），這也（yě）提（tí）醒我們注意到了這樣一（yī）個（gè）問題：任何土木結（jié）構都會由於材料本（běn）身老化、過度使用、環境侵蝕、缺（quē）乏維護［1］等（děng）因素的（de）影響而失效,如（rú）何（hé）保證這些建築的使用（yòng）效（xiào）果，也（yě）就是說在其使用期限內，如何及時監測到結構的損傷以便采取相應（yīng）的措施進行加固。工程結構自建成後, ,若沒（méi）有適當的維護,將使結構狀態逐漸趨於劣化而變得不可靠（kào）。除了房屋外，一些重大土木工程（chéng）結構，如水壩（bà）、橋梁、電廠（chǎng）、軍事（shì）設施、高層建築等（děng），在遭受地震、洪水、颶風、爆炸等自然或人為災害時的安全問題，與人民的生命財產息息相關，已經引起人（rén）們的廣泛關注。上述（shù）重要結構在經曆了極端（duān）災害性事件後，立即對他們（men）的（de）健康狀況做出評估是非常必要的，實時（shí）地監測和預報結構（gòu）的性能，及時發現（xiàn）和估計結構內部損傷的位置和程度，預測（cè）結構的性（xìng）能變化和剩（shèng）餘壽命並做出維護決定（dìng），合理疏散（sàn）居民，對提高工程結構的運營效率，保障人民生命財產安全具有極其重大的意義。例如,由於缺乏維護,美國（guó）聯邦（bāng）公路管理（lǐ）局(FHWA) 聲稱,到2003 年為止,美國27.1%的橋梁有結構缺陷或功（gōng）能退化,而對所有59萬多座橋梁（liáng）進行更新和適當修（xiū）複,需要今後20年每（měi）年投資94億美元。故而，結（jié）構的健（jiàn）康監測技術成為當前國內外研究的熱點問題。

2. 健康監測概述

結（jié）構健康監測(Structural Health Monitoring，簡稱SHM)指利用（yòng）現場的無損傳感技術（shù），通過包括結構響應在內的結構係統特性（xìng）分析，達到檢測結（jié）構損傷或退化的目的［2］。健康監測的過程包括：通過一係列傳感（gǎn）器得到係統定時取樣的動力響（xiǎng）應測（cè）量值，從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子，並對這些特征因子進行統計分析，從而（ér）獲得結構當前（qián）的健康狀況［3］。對於長期的健康監測，係統得到的是（shì）關於結（jié）構在其運行環境中老（lǎo）化和退化所導致的完成（chéng）預期功能變化的適時信息。結構（gòu）的健康監測技術是要發展一種最小人工幹預的結構健康的在（zài）線實時連續監測、檢（jiǎn）查與損傷探測的自動（dòng）化係統，能夠通過（guò）局域網絡或遠程中心，自動地報告結構（gòu）狀態。它與傳統的無損檢（jiǎn）測技術(Nondestructive evalsuation，簡稱NDE)不同，通常（cháng）NDE技術運用（yòng）直接測量（liàng）確定（dìng）結構的物理狀態，無需（xū）曆史記錄數據，診斷結果很大程度取（qǔ）決於測量設備的（de）分辨率和精度［4］。而SHM 技術是根據結構在同一位置上不同時間的測量結果的變化來識別結構的狀態，因此曆史數（shù）據至關重要。識（shí）別的精度強烈依賴於傳（chuán）感器和解（jiě）釋算法。可以說，健康監測有可能將目前廣泛采用的離線、靜態、被動的損傷檢測，轉變為在線（xiàn）、動態、實時的監（jiān）測與控（kòng）製，這將導致工程結構安全監控、減災防災領域的一場革命。顯然結構健康監（jiān）測技術是一個跨學科的綜合（hé）性（xìng）技（jì）術，它包括工程結構、動力（lì）學、信號處理、傳感技術、通訊技術、材料學、模式識別等多方麵的知識。

3. 損（sǔn）傷檢測（cè）識別標（biāo）準與（yǔ）方法

損傷識別分（fèn）為四個等級;第一等級是確定結構中（zhōng）是否存在（zài）損傷;第二等級是在第一等級的基礎上（shàng）確定損傷的幾何位置;第三等級是在（zài）第二（èr）等級的基礎上對損傷的嚴重程度進（jìn）行量化;第四等級是（shì）在第三等級的基礎上預（yù）測結構的剩餘使用壽命［5］。迄今為止，基於振動分（fèn）析的損傷識別方法隻能解決等級一和等級（jí）二的問題。如果與結構（gòu）模型（xíng）聯合起來，則可解決一（yī）部分等級三（sān）的問題。如果要解決等級（jí）四的問題，則還需要斷裂力學、疲勞壽命分析或結構（gòu）設計評（píng）估等多方（fāng）麵（miàn）知識。損傷檢測與識（shí）別大致可分成兩種（zhǒng）類（lèi）型:基於振動的方法、靜態檢測方（fāng）法。靜態測（cè）量（liàng）數據比較直接可靠，但進行數據測量需要進行封閉試驗，會影響服役結構的正常使用。振動測試可以在結（jié）構處於工作狀態下（xià）進行，易於把拾振傳感器安裝在結構深處;用做振（zhèn）動診斷的（de）信號類（lèi）型多（duō），量值變化範圍大，而且又是多維的，便於識別（bié）不同類型（xíng）的故障。隨著現代傳感器技術、微電（diàn）子技術、計算機（jī）技（jì）術的發展，使得數據采集、數據傳輸以及數據的實時分析（xī）技（jì）術與處理技術（shù）得到提（tí）升,這些技術在當今國內（nèi）外的結構損傷檢測中都得到（dào）了較好的運用［6］。因此，動態損傷識別方法的（de）研究較多。動態方法按照所利用的特征量是否使用結構模型（xíng），可（kě）分為無模型識別方法和（hé）有模型識別方法（fǎ）兩（liǎng）類。無模型方法不使用與結構模型有關的特（tè）征量，從振動的時程、頻譜（pǔ）或時頻分析推導而（ér）來［7］，但由於土木工程結（jié）構規模（mó）龐大，難（nán）以對（duì）損傷進行定量研究。有模型（xíng）方法使用結構模型（xíng），基本是有（yǒu）限（xiàn）元模型，使用的是與結構模（mó）型有關（guān）的特征量，包括固有頻率（lǜ）、模態振型、曲率模態及有（yǒu）限（xiàn）元模型信息等，該方法能（néng）克服使用無模型方法的局限性，因此正越來越（yuè）得到研究者的關注。
    4. 動態（tài）檢測方法的基本方（fāng）法（fǎ）原理

利（lì）用結構的振動響應和係統動態（tài）特性進行結構損傷探測（cè）是目（mù）前（qián）國內外研究的熱點和難點。這種方法利用（yòng）未損傷結構的數學（xué）模型連同未損傷的振動試驗（yàn）數據（jù）作為（wéi）探測有損結構的振（zhèn）動信息、與損傷結構的振動（dòng）響應進行比（bǐ）較，從而判斷結構損傷（shāng）的位置和損傷的程度。眾（zhòng）所周知，任何結構係統都可以看作是剛度、質（zhì）量（liàng）、阻尼矩陣組成的力學係統，結構一旦出現損傷，結構參數隨之（zhī）發生改變，從而導致係統的頻率響應函數和模態參數(頻率和振型等)的改變，所以，結（jié）構的模態參數的改變可以視為結構（gòu）發生早（zǎo）期損傷的標誌，成為用振動方法進行結構損傷診斷的切入點。