大跨径桥梁等重大基础设施的安全问题,是土木工程界广泛关注的重要课题。众所周知,结构健康监测技术在解决该问题方面拥有很大的潜力。多年来,结构损伤识别一直是健康监测研究的重点、热点与难点之一。本文针对结构上出现概率最高、后果严重的失效模式研究损伤识别理论;根据结构在这些模式下展现出来的典型特征,研发新的损伤识别技术。一般的损伤识别理论是基于结构状态比较,即通过比较结构在损伤状态与参考状态(通常选为无损状态)的差异来判断有/无损伤、损伤位置与程度。理论研究与工程实践均表明,众多的既有识别方法的效果尚待提高。本文将参考点转向结构的失效状态,并把结构可靠度领域的重要概念——主(要)失效模式引入到损伤识别研究中,提出了新的研究框架;基于结构失效过程中的动力特性与静态特征,提出了新的损伤识别理论与方法;有限元分析与模型实验结果表明,新方法能够有效识别圬工砌体拱机构失效模式与钢筋混凝土简支梁弯曲失效模式下的损伤。本文主要内容如下:(1)基于结构的主失效模式识别损伤,需要解决的首要问题是如何搜索结构的主失效模式及其失效概率计算。首先,介绍了结构主(要)失效模式的概念,简要分析了结构主失效模式搜索、枚举的常用方法。其次,针对简支梁结构,介绍了其主要失效模式——弯曲模式的理论分析与概率计算方法;剖析了钢筋混凝土简支梁按该模式破坏过程中的典型特征——挠曲线线性化;围绕圬工砌体无铰拱结构,提出了搜索该类结构主要失效模式之一——机构失效模式的方法。最后,剖析了基于主失效模式的损伤识别与常规研究的差异,提出损伤识别研究新框架。(2)为了检验上述无铰拱机构失效模式的搜索方法,进行了有限元模型计算分析、开展了圬工砌体无铰拱模型实验,重现了机构模式的失效过程。首先,建立有限元模型,采用上述搜索方法找到了圬工拱的全部失效路径。其次,制作了混凝土预制块无铰拱试件,并进行了加载至破坏的实验;分析了加载过程中试件响应特别是铰的形成过程与失效特征;结果显示:拱试件因形成五个铰的机构而发生破坏,铰的生成次序和拱的失效过程与理论预测吻合。(3)根据拱结构按机构失效模式破坏过程中展现出来的自振频率与模态振型演变轨迹,研究了基于结构动力特性的损伤识别理论和方法。首先,从结构的运动方程出发,分析并指出了基于结构动力学的损伤识别方法的决定性因素之一是结构属性(如刚度等)这一事实;分析了损伤阶段、动力响应的改变和结构属性的变化之间的对应关系,凝练了以下研究思路:研究结构按主要模式失效的过程,得到结构整体刚度矩阵及其动力特性的演化规律,然后基于动力特性的演化路径识别损伤。其次,基于无铰拱机构失效模式下多阶频率和振型的变化路径,采用摄动方法与直接以多阶频率/振型的变化构造指标的方法识别损伤。最后,以实验拱的机构失效路径为对象,对上述方法进行了数值检验。(4)围绕简支梁的主要失效模式之一——弯曲模式,基于失效过程中展现出来的静态特征提出结构损伤识别理论与方法。首先,基于实验观测归纳出简支梁按弯曲模式失效过程中典型静态特征——挠曲线线性化,即随着损伤的逐渐发展挠曲线的非线性逐渐退化、由连续曲线逐渐变为分段直线段。其次,建立解析模型分析梁段线形与损伤区域强度之间的关系,从理论上构建了挠曲线线性化程度与损伤状态之间的内在联系;将损伤程度识别问题转化为梁段挠曲线与其割线(也称“极限线”)之间差异的量化。最后,提出了基于Fourier级数分解的损伤识别方法:利用Fourier级数分解梁段的挠曲线与极限线的函数表达式以得到Fourier系数,以两线的Fourier系数向量之间的夹角表征损伤程度;搜索挠曲线上一阶导数突变点的位置,实现了损伤定位。(5)开展钢筋混凝土简支梁的模型实验研究,以检验基于主失效模式下的静态特征的识别方法。制作八片钢筋混凝土简支梁试件,并加载至破坏。实验现象与测试数据表明:加载过程中,梁的挠曲线逐渐向直线段演变、最终因形成混凝土铰而发生破坏,即观测到了挠曲线线性化现象;采用Fourier级数分解的方法,精确识别了加载过程中铰出现的区域与构件的损伤程度。模型实验表明:上述方法能够准确地识别钢筋混凝土简支梁的损伤——判断有损/无损、损伤位置与程度。通过上述具体工作,本文展示了损伤识别研究的新策略——针对主失效模式研究工程结构的损伤识别问题。针对无铰拱的机构模式与钢筋混凝土简支梁的弯曲模式,实现了基于主失效模式及其典型特征的结构损伤识别。