能监测 和评估。
[0307] 综上所述，本发明与现有技术相比具有W下优点：
[030引一、本发明提出的监测因子具有物理概念清晰、分析快速有效的的优点。该监测因 子和监测系统具有很好的适用性，适用于各种不同荷载作用下的结构由于失稳所引发的刚 度损伤识别。
[0309] 二、传统的刚度损伤监测识别方法在不具有很好的抗噪性，噪声的强度和频谱范 围对识别效果的影响很大。在小损伤和强噪声作用下，往往不能监测出刚度损伤事件。而 本发明提出的监测因子很好的抗噪性，在微小损伤和较高的噪声水平下仍具有很好的监测 效果。
[0310]=、现有的结构刚度损伤的监测方法通常只能判别较大程度损伤事件，对于非常 小的结构刚度损伤，如2%W下的刚度损伤识别效果不佳。而本发明提出的监测因子对微小 损伤敏感，可W准确的监测出微笑刚度损伤事件，克服了目前方法的一个明显不足。
[0311] 四、现有的结构刚度损伤的监测方法通常不能监测到由于冲击荷载所引起的微小 损伤。因为此时加速度响应中的高频损伤信号能量微弱，难W用常规方法进行识别。而本 发明提出的监测指标和约束条件联合使用，可W利用前后S个时刻的幅值关系，剔除识别 出的虚假信息，实现冲击荷载作用下的微小刚度损伤的准确识别，克服了目前监测方法的 一个明显不足。
[0312] 五、现有的刚度损伤监测方法不能够定量的判别损伤程度。特别是在冲击荷载作 用下的小损伤识别时，更是难W确定结构的损伤程度。而本发明采用的监测因子明确了刚 度损伤程度与监测因子之间的定量对应关系，确立了两者的数学定量模型，该克服了现有 方法的一个不足。
[0313] 下面W几个具体案例来说明本发明的结构刚度损伤监测方法及系统的有效性。
[0314] 案例一
[0315] 本案例一考察在冲击荷载作用下的结构刚度损伤的监测识别效果。图3为一个 五层建筑结构的示意图，W该结构为对象，描述刚度损伤监测的实施过程。该建筑结构层 高2. 8m，每层有10个房间，各层的质量为m= 1. 35X106kg，刚度为k= 4. 2X106kN/m。该 建筑结构第一层在冲击荷载作用下由于构件破坏发生了突发的刚度损伤，导致第一节点层 的刚度在0. 2秒时刻发生了 20 %的突然减小，即第一节点层刚度由4. 2Xl〇6kN/m减小为 3. 36Xl〇6kN/m。
[0316] 图4a-图4d显示了该结构第一层的加速度时程曲线及其前S个IMF曲线。从图 4a-图4d中显示的加速度时程曲线中并不能直接发现在0. 2s发生了损伤事件。但是对比 不同的IMF曲线可知，在IMFl分量的0. 2s信号出现了一个不连续。而IM巧和IMF3分量 重均未发现信号不连续。事实上其它IMF分量和参与趋势项中也没有发现由于刚度损伤所 引起的加速度信号不连续。而由EMD分解过程可知；第一个IMFl分量包含了原始加速度信 号中的最高频成分。由此验证了前述所指出的结论；加速度信号中的突变成分保留在具有 最高频信号成分的第一个IMF分量中。
[0317]
[0318]表一
[0319] 为了进一步说明本发明所提出的监测因子和系统的有效性。可使该结构发生6种 不同程度的刚度损伤，刚度损伤在0. 2秒发生，发生于结构的第一层。6种损伤程度分别为 1 %，2 %，5 %，10 %，20 %和40 %的刚度损伤。表一给出了无刚度损伤结构和6种不同损伤 工况下前5阶自振频率的比较。显然表中结果表明：在结构较小刚度损伤下，结构的自振频 率改变非常小。结构频率的变化率甚至还低于常规的信号噪声的强度（约2%~5%)。因 此，采用常规的基于振动的健康监测方法是无法识别结构的小程度刚度损伤事件。
[0320] 图5a-图5f给出了不同损伤程度下的IMFl分量中的信号不连续状况。
[0321](不同信号分解完毕有不同数量的IMF,可能有5个，可能有10几个，该取决于信 号本身，但是对所有情况，只有第一个IMF包含有损伤信息，所W本文中只给出了第一个 IMF分量）
[032引由图中结果可知，在不同程度损伤下，在加速度信号的IMF分量的0. 2s时刻均可 观察到由于刚度损伤所引起的信号不连续。但是在损伤程度较小时巧％^下），该种信号 不连续已经非常微弱W至于难W用肉眼直观察觉。在损伤为1%时，仅仅从IMF分量本身根 本无法判别发生了损伤事件。
[0323] 图6a-图6e给出了采用本发明所提出的监测因子的监测结果。由图6a-图6e结 果可知，第一层的监测因子在0.2秒时出现了一个非常明显的峰值，而其他时刻则没有峰 值。该表明第一层在0.2s时发生了刚度损伤事故，因此可W判定损伤发生的时刻。进一步 的对比不同楼层的监测因子的结果可知；只有第一层的监测因子存在峰值，而其他楼层没 有峰值。因此通过对比监测因子在结构不同了楼层的分布，可W容易的确定刚度损伤发生 的位置。
[0324] 图7a-图7f给出了不同刚度损伤程度下的监测因子的识别结果。由图中结果可 知在损伤程度5%W上时可W准确的识别出刚度损伤发生的时间，对比不同楼层的识别结 果可W准确的监测到损伤发生的位置。但是在刚度损伤很小的时候（1%~2%)，并不能 准确的识别损伤事件。该是因为在冲击荷载作用下，结构动力响应很快衰减并且具有很宽 的频谱范围。同时由于损伤程度很小，因此损伤信号的能量很小，在原始加速度信号中很微 弱，因此造成了损伤识别的困难。该是目前其他方法难W识别冲击荷载作用下的微小刚度 损伤的原因。进一步的，联合利用本发明建立的监测因子和约束条件，可W成功地识别结构 的微小损伤，如图8a-图8b所示。
[03巧]图9示出了冲击荷载作用下损伤程度与监测因子之间的相互关系。图中结果表 明，损伤程度与监测因子是明显的线性关系，该也符合前述的理论推导结果。图中还给出了 通过最小二乘回归得到了损伤程度的数值模型。利用该模型可W识别结构的刚度损伤程 度。
[0326] 图IOa-图IOb显示了噪声对于损伤识别的影响（此时损伤程度为20% )。信号 噪声通常认为是随机白噪声，噪声强度为2%和5%。由图9所示的结果可知，本发明所提 出的监测因子在噪声干扰下依然能够有效地识别刚度损伤事件。
[0327]案例二
[0328] 本案例二W前述建筑结构为例，考察在地震激励作用下的监测方法的有效性。本 案例二中刚度损伤选用的六种损伤程度均与案例一相同，但损伤发生的时间为6.Os,地震 地面运动选用ElCentro地震波。
[0329] 图Ila-图Ild给出了地震作用下的结构第一层的加速度时程曲线及其前S个IMF 曲线。与冲击荷载作用下的情况类似，直接从加速度时程曲线中并不能直接发现损伤事件。 但是具有最高频信号成分的第一个IMF分量中可W观察到由于刚度损伤引起的信号不连 续。
[0330] 图12a-图12e给出了不同楼层监测因子的结果。显然可W通过监测因子确定损 伤发生的时间为6.Os,同时由监测因子的空间分布可W容易的确定刚度损伤发生的位置为 第一层。
[0331] 图13a-图13f给出了不同刚度损伤程度下的监测因子的识别结果。显然，在各种 不同损伤程度下，监测因子均可有效的识别损伤事件。与冲击荷载作用下的情况不同，地震 激励作用下结构动力响应较大，因此即使在微小损伤下，加速度响应中的损伤信号依然具 有一定的能量，因此直接采用监测因子即可识别微小损伤时间，而不需要联合使用约束条 件。该一点是与冲击荷载作用下的情况不同的。
[0332] 图14显示了损伤程度与监测因子的相互关系。与冲击荷载作用下的情况相同，损 伤程度与监测因子符合线性模型，利用该模型可W识别结构的刚度损伤程度。图15a-图 1化结果则表明，本发明所提出的监测因子在噪声干扰下依然能够有效地识别地震作用下 的结构刚度损伤事件。
[033引案例S
[0334]本案例S对比了基于小波的监测识别方法与本发明的识别方法的效果比较。所采 用的结构和损伤工况均与案例一相同。基于小波分析的监测方法主要是选择合适的小波基 函数对原始加速度信号进行多层小波分解，通过观察高频小波系数的时程曲线来识别刚度 损伤事件。在目前小波刚度损伤识别中化小波一类较为广泛采用的小波基函数。图16a-图 16f给出了地震激励作用下的具有典型意义的化2和化4小波的分析结果。化4小波相比 于化2小波具有更好的支撑长度，因此具有更加的识别分辨率。因此化4小波基函数在刚 度损伤是别中被广泛采用。由图15a-图巧b结果可知，在较小的刚度损伤下，化4小波均 可有效的识别损伤事件，而化2小波的刚度损伤则为失败。
[03巧]图17a-图17f给出了在冲击荷载作用下采用化4小波的识别结果。显然，在大损 伤程度下，化4小波可W有效地识别刚度损伤事件。但是小损伤情况下巧％^下），特别是 微小损伤下（1% )，化4小波已经无法有效的识别损伤事件，该一点与本发明提出的监测因 子具有明显的差异。
[0336] 本发明还提供了一种基于EMD的结构刚度损伤监测系统，如图18所示，包括：
[0337] 振动监测模块1，通过在结构上安装加速度传感器，实时监测结构的振动状况，获 取结构各层的振动响应号。
[033引基于EMD的监测信号处理模块2,用于对所述加速度响应进行EMD分解，并将各信 号的第一个IMF分量提出出来。利用本发明提出的监测因子和约束条件，确定监测因子的 具体数值。
[0339] 刚度损伤时间判别模块3,根据监测因子时程曲线，并联合采用约束条件，判别刚 度损伤事件发生的时间；
[0340] 刚度损伤位置判别模块4,根据结构不同位置的监测因子的空间部分，并联合采用 约束条件，判别刚度损伤事件发生的位置；
[0341] 刚度损伤程度判别模块5,用于根据损伤发生时刻对应的监测因子的幅值确定结 构的损伤程度。
[0342] 在一种【具体实施方式】中，模块2通过W下公式对所述加速度响应信号进行EMD分 解，并确定各个IMF分量：
[0343]
[0344] 其中为加速度响应信号；/iwc口的)加速度信号经过EMD分解后的第i个IMF 分量；r"(t)为加速度信号经过EMD分解后的残余趋势项。
[0345] 在一种【具体实施方式】中，信号处理模块2根据如下公式计算i时刻的监测因子和 约束条件：
[0346] MIi=I(Di-Dy) +化-Dw)I= |2Di-Dw-Dw|(i= 2,3，...，tmax-l)
[0347]MI,I+/V//.,I=M/
[0348] 其中，Di表示i时刻的结构加速度响应第一个IMF分量的变化率；Dy和DW表示 i-1和i+1时刻的加速度响应第一个IMF分量的变化率。
[0349] 在一种【具体实施方式】中，如图18所示。本发明的基于EMD的结构刚度损伤监测系 统在实施过程中可W在预设荷载作用下使结构发生不同程度的损伤，通过模块2确定对应 的监测因子，进一步的建立损伤程度与监测因子之间的数值模型关系，并通过统计回归的 方法确定监测因子与损伤程度之间的模型参数a和0的数值，从而确定监测因子与损伤 程度之间的定量模型；损伤程度判别模块5根据损伤发生时刻对应的监测因子大小，通过 定量模型确定结构的刚度损伤程度。
[0350] 本发明的基于EMD的结