羅德河+鄭東健+胡德華+謝榮暉+甘聲玄

摘要：混凝土壩運行過程中受到的振動激勵信息一般難以精確獲取，基于傳遞率函數(shù)理論，對混凝土壩施加一定的振動激勵，通過測得的動力響應(yīng)信息計算傳遞率函數(shù)，同時利用信息熵及互信息可以表征變量的信息特征及相關(guān)性，提出了識別和定位結(jié)構(gòu)損傷的指標(biāo)。這種方法不需要獲得外界的激勵信息，直接利用結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息提取損傷特征?；炷林亓蔚姆抡婧驮囼灲Y(jié)果表明，在損傷程度高于3%的情況下，施加的振動激勵能較好地實現(xiàn)損傷識別和定位，并適用于單一損傷和多損傷；根據(jù)結(jié)構(gòu)特性合理優(yōu)化布置測點可以實現(xiàn)局部損傷識別，對混凝土壩的損傷檢測有較好的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：混凝土壩；動力響應(yīng)；損傷識別；傳遞率函數(shù)；信息熵

中圖分類號：TV698.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）-05-0141-05

大壩等水工混凝土結(jié)構(gòu)作為流域上興利除害的重要建筑物，其健康狀況的實時獲取與評估，對大壩的安全運行起到至關(guān)重要的作用。我國已建的大壩數(shù)量眾多，截止2005年底在建和已建30 m以上的大壩共4 860座，混凝土壩數(shù)量占了26.2%。經(jīng)過長期運行后可能產(chǎn)生局部損傷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)這些損傷，將會影響大壩的整體運行性能。據(jù)統(tǒng)計，截止2013年，我國已建水庫97 246座，其中病險水庫大壩有4.7萬余座，這些存在安全隱患的大壩，對發(fā)揮正常效益產(chǎn)生影響。因此，定期或?qū)崟r獲取混凝土壩的健康狀況對大壩正常運行至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者基于振動理論對結(jié)構(gòu)損傷和定位進(jìn)行了大量的研究，并在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FENG等對比和討論了傳遞率函數(shù)與互相關(guān)分析方法，并對地鐵隧洞的損傷進(jìn)行識別；Chesn等研究了傳遞率函數(shù)在非離散體系中損傷識別的應(yīng)用，并擴(kuò)展到離散體系中；Zhu等利用多自由度的彈簧-質(zhì)量-阻尼模型進(jìn)行傳遞率函數(shù)的損傷敏感性分析；顧建祖等將經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與傳遞率函數(shù)結(jié)合用于檢測玻璃幕墻損傷并取得一定效果；楊斌等對振動響應(yīng)信息進(jìn)行小波分解，對求解得到的多尺度振動傳遞率函數(shù)計算灰度矩向量，從而提取出損傷指標(biāo)?；诮Y(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信號進(jìn)行損傷識別的方法，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但是在土木水利工程中的應(yīng)用還處在模態(tài)參數(shù)識別和損傷診斷的初步階段。由于水工建筑物結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對于這類大體積的混凝土結(jié)構(gòu)而言，不容易施加激勵，目前水工振動無損檢測還沒有形成一種適用性廣的檢測方法。在前人研究的基礎(chǔ)上，將傳遞率函數(shù)理論應(yīng)用到復(fù)雜的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行動力損傷診斷。對混凝土壩施加一定的振動激勵，利用傳遞率函數(shù)，實現(xiàn)了利用動力響應(yīng)信息研究混凝土壩等大體積結(jié)構(gòu)的損傷識別。

1基本理論

1.1傳遞率函數(shù)

動力學(xué)中具有n個自由度的結(jié)構(gòu)運動基本方程可以表示為

2.2損傷情況設(shè)置與損傷識別

為了模擬裂縫出現(xiàn)的一般情況，設(shè)置了一條裂縫與兩條裂縫的情況；同時對同一位置縫的不同深度進(jìn)行研究，即對裂縫深度占該處壩寬的百分比（以下稱損傷程度）進(jìn)行敏感性分析，分析損傷指標(biāo)對裂縫深度的敏感性，損傷情況設(shè)置見表2。

將有限單元法計算所得的加速度響應(yīng)添加一定的高斯白噪聲（SNR=40 db）以模擬實際環(huán)境噪聲干擾下的觀測數(shù)據(jù)。不同的損傷情況識別結(jié)果見圖3、圖4、圖5。圖3可以看出，對于一條裂縫情況，當(dāng)損傷程度高于3%時，損傷指標(biāo)都能很好地定位出不同損傷情況下測點7-8之間存在損傷，其他未損傷測點對有一定的值，但都在較小的范圍內(nèi)，不影響總體的識別。同時損傷程度越大，相應(yīng)的指標(biāo)值也有所增大，說明該指標(biāo)在一定程度上能判斷損傷的程度。當(dāng)結(jié)構(gòu)存在多條裂縫且損傷程度高于3%時，如圖4所示，不同損傷情況下的兩組測點對4-5，測點對7-8損傷指標(biāo)較高，說明該處存在損傷。同時可以看出相同損傷程度情況下，測點7-8之間的損傷指標(biāo)要高于測點4-5之間的損傷指標(biāo)，這說明損傷敏感性由壩底向壩頂遞減。從圖4可以看出，當(dāng)損傷程度小于3%時，不同損傷情況下的識別精度較低，說明對于微小損傷敏感性較低。

在實際應(yīng)用中，利用上述結(jié)論，可以對測點布置進(jìn)行優(yōu)化從而可以更精確地判斷損傷的位置與程度。如可以采用梅花形布置方式，通過計算各相鄰測點的損傷指標(biāo)確定是否存在損傷，這種方法可以檢測出局部的損傷，因而有一定的實際應(yīng)用價值。

3模型試驗

為了驗證本文所提出方法的可行性，按照幾何相似原則制作混凝土重力壩模型，試驗?zāi)Ｐ偷牟牧喜捎没炷辽皾{，質(zhì)量密度為2 100 kg/m³。壩體橫截面底部寬42.45 cm，壩頂寬4.2cm，高57.6cm，利用振動臺試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。壩體上游面布置6個單向壓電式加速度傳感器，設(shè)置單一裂縫和兩條裂縫損傷情況，裂縫及傳感器布置見圖6。用DY-600-5型振動試驗系統(tǒng)，DSPACE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗，采樣頻率為4 000 Hz。為模擬損傷，在靠近壩踵處設(shè)置人工縫，考慮損傷程度為15%，10%，5%三種損傷情況，分別對應(yīng)損傷情況N、O、O，以及靠近壩頂與壩踵處分別設(shè)置40%和15%的損傷，對應(yīng)損傷情況O進(jìn)行驗證。

對模型施加高斯白噪聲激勵，峰值為0.5 g，無損情況下各測點振動響應(yīng)見圖7，并對測得的各傳感器振動響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得到不同損傷情況下模型的損傷指標(biāo)見圖8和圖9。壩踵處各損傷情況的損傷定位結(jié)果見圖8，可以看出，5-6測點對的損傷指標(biāo)均較大，表明測點對5-6間存在損傷，與實際情況相一致，隨著損傷程度增加損傷指標(biāo)也相應(yīng)增加。兩條裂縫情況損傷識別結(jié)果見圖9，測點對1-2和測點對5-6的損傷指標(biāo)均較大，表明這兩處存在損傷，與實際情況一致，說明損傷程度高于3%以上都能識別出。由于試驗過程中可能受到外界干擾因素的影響，因而未損傷處也有一定的損傷指標(biāo)值，但是整體來看對各損傷情況用本文定義的損傷指標(biāo)能較好地識別和定位，因而驗證了該方法的可行性。

在實際應(yīng)用中，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點合理的布置傳感器，通過采集系統(tǒng)可以獲得壩體的響應(yīng)信息，并采集不同測點的振動響應(yīng)信息分別計算損傷指標(biāo)并結(jié)合實際情況分析，從而可以及時發(fā)現(xiàn)大壩異常。

4結(jié)語

（1）利用傳遞率函數(shù)和信息熵理論提出了適用于混凝土壩損傷信息識別損傷指標(biāo)，并通過數(shù)值仿真與模型試驗驗證了該指標(biāo)的可行性。

（2）對于損傷程度高于3%的情況，對單一裂縫和多條裂縫本文提出的損傷指標(biāo)都能較好地進(jìn)行識別，并且不同位置的損傷互不影響。

（3）在實際應(yīng)用中，還應(yīng)進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布置、診斷系統(tǒng)的建立，將這種損傷檢測方法應(yīng)用于實際工程中，仍有許多工作需要做。