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基于模态参数的工程结构损伤识别方法
摘要
工程结构损伤识别是近年来工程领域研究的热点之一，对于保障结构的安全运行具有重要意义。本文综述了模态参数法在工程结构损伤识别中的应用。首先介绍了模态分析的基本理论，然后详细阐述了模态参数法的思路和流程，并概述了国内外在该领域的研究现状。最后，给出了对模态参数法未来研究的展望。
关键词：工程结构；损伤识别；模态参数；模态分析。
1.引言
工程结构损伤识别是指在追踪运行维护期间，应用现代化技术手段对结构体系进行评估和判断，识别出结构中的缺陷以及损坏的部位、程度和可能的危害程度。它是保障结构安全运行的重要技术之一，已经成为人们关注的焦点和研究的热点。
目前，工程结构损伤识别研究主要采用基于模态参数的方法，该方法通过测定结构振动的模态参数变化来识别结构中的损伤。本文将综述模态参数法在工程结构损伤识别中的应用。
2.模态分析基本理论
模态分析是通过对结构进行试验或计算得到其振动振型、振型频率和振型阻尼等参数的技术方法，它是结构动力学领域中的一个重要的课题。模态分析的基本思路是：在某种激励作用下产生的结构振动可被分解为一组基本的正弦振动，称之为振型，不同的振型所对应的频率称之为固有频率。
在模态分析理论中，特征值问题扮演了核心的角色。特征值问题是指：在给定的边界条件下，寻求满足某些性质(如位移、速度等)的本征向量和对应的本征值(即频率)的问题。这里的本征向量和本征值反映了物体振动的固有特性，在整个模态分析过程中都是必须重视的。
3.模态参数法的应用
3.1模态参数法的思路
模态参数法是将模态参数作为损伤标记，通过分析损伤状态下模态参数的变化，来检测结构的损伤程度。与传统的检测方法相比，模态参数法不仅可以对局部缺陷进行准确检测，而且还可以对结构整体的性能和完整性进行评价。模态参数法的主要步骤包括：模态分析、特征抽取、特征选择和损伤识别等。
3.2模态参数法的实施流程
模态参数法的实施流程如下：首先，对结构进行预处理，包括质量、材料等参数的检验，以及测量结构的基础振型。其次，进行结构的模态分析，确定结构的基础振型和其固有频率。然后，进行特征抽取，通过对振型参数和频率响应函数的分析，提取出相关的模态参数。接着，进行特征选择，对模态参数进行筛选，选择出具有良好区分度的特征。最后，进行损伤识别，通过结构模态参数，利用机器学习算法或人工神经网络等技术，来判断结构中的损伤程度。
3.3国内外研究现状
国内外学者在模态参数法的应用方面做了大量的研究。美国的Kumar和Raghavan(1992)根据振型相似性理论，提出了一种对复杂结构的模态参数测量方法。日本的Nakamura和Tanaka(1994)开发了一套系统化的模态参数识别系统，能够对建筑结构、桥梁和塔架等多种结构进行损伤识别。英国的Worden和Staszewski(2001)将模态参数法和机器学习方法结合，提出了一种效果较好的损伤监测方案。
国内的研究团队也取得了一系列重要进展。北京大学的赵启伟教授针对结构能量指数的特点，提出了一种基于支持向量机的损伤识别方法，并取得了良好的效果。中南大学的曾凡模教授开展了一系列混凝土结构的试验研究，成功开发了一套结构损伤在线监测系统。
4.展望
随着数字化技术的进一步发展，模态参数法在工程结构损伤识别中的应用也将更加广泛。未来，需要进一步深入研究和探索模态参数法与其他技术方法（如扩散波成像技术、声发射检测技术等）相结合的应用领域及前景。同时，还需要针对不同类型的结构，发展更加完善和成熟的损伤识别模型和算法，以满足实际工程应用的需求。
参考文献
[1]KumarA，RaghavanMR.Modelupdatingofaspacetruss[J].InternationalJournalofMechanicalSciences,1992,34(4):361-376.
[2]NakamuraT，TanakaH.Damagedetectionfromchangesincurvaturemodeshapes[J].JSMEInternationalJournal,1994,37(2):275-282.
[3]WordenK，StaszewskiWJ.Applicationofmachinelearningtotheanalysisoftheresponsesoflargestructures[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2001,15(2):329-349.