李兆霞

(東南大學土木工程學院，南京 210096)

(東南大學江蘇省工程力學分析重點實驗室，南京 210096)

大型土木結構包括特大跨橋梁、超高層建筑、大型場館等重要的土木基礎設施，其結構共性特征是超大、超高或者超長、構形復雜、體量巨大、服役環(huán)境惡劣，每個結構都是獨一無二且不可復制的.近年來，我國基本建設投資以占國民生產總值約15% ～20%的比例穩(wěn)步上升，大批工程結構已完成或正在建設中［1］.這些結構建成后不可避免地存在著先天細觀缺陷，在結構服役期內環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期疲勞效應、突發(fā)事變過載效應等因素的綜合作用都會導致?lián)p傷積累和抗力衰減［2］.在結構安全服役中，損傷是一種跨越微/細、宏觀尺度的非線性演化過程，同時損傷演化又是從材料層次開始發(fā)展到構件層次再到千米級結構層次導致其失效的過程，因此結構損傷演化是一個多尺度、跨層次非線性演化致結構失效的過程.大型土木結構通常都是當?shù)氐牡貥诵越ㄖ?，一旦發(fā)生破壞，不僅會造成重大人員傷亡和巨大經濟損失，還會產生極壞的社會影響.因此，解決大型土木結構安全服役中的共性科學問題，改變長期以來重大土木基礎設施在服役期內結構損傷狀況、潛在危險性和安全可靠性無法預知的現(xiàn)狀，在災害越來越常態(tài)化的今天已成為一個刻不容緩的重大任務［1］.

應對大型土木結構安全的工程需求，近10多年來結構健康監(jiān)測(structural health monitoring，SHM)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展［3］，學者們在橋梁結構健康監(jiān)測方面開展了較多的研究工作和工程實踐［4-5］.基于健康監(jiān)測系統(tǒng)的損傷檢測與狀態(tài)評估也成為該領域中熱門和前沿的研究方向［6］.然而，結構安全與損傷檢測實際上涉及到結構模擬、損傷跨尺度演化過程分析、結構強度的尺寸效應、不確定性等諸多未解決的力學基礎科學問題，多年來這些基礎性理論研究仍缺乏突破.受此限制，花費大量財力和人力建立的健康監(jiān)測系統(tǒng)作用十分有限，在結構安全評估、管理和維護方面的作用與優(yōu)勢無法體現(xiàn).

為尋求突破，近年來在結構安全方面的研究思路已經從結構當前損傷狀態(tài)評估和失效后分析拓展到結構全壽命安全，從著眼于結構損傷的結果拓展到著眼于結構損傷演化的過程及其預后評估.本文對結構多尺度損傷預后方面的研究進行了綜述，為后續(xù)工作提供方向.針對大型土木結構的共性特征和結構安全服役的新形勢和新需求，采取結構多尺度損傷預后，以達到“治結構之未病”的目標.從發(fā)展多尺度損傷預后方法的驅動力、與大型土木結構多尺度損傷預后相關的基礎理論與技術的發(fā)展現(xiàn)狀、大型土木結構多尺度損傷預后的關鍵科學問題、解決思路、發(fā)展趨勢與應用前景這幾個方面，綜述了大型土木結構多尺度損傷預后研究的現(xiàn)狀、研究思路與應用前景.指出了大型土木結構多尺度損傷預后所面臨的關鍵科學問題，并展望了結構多尺度損傷預后理論與分析方法的廣闊前景.

1 結構多尺度損傷預后的動力——“治結構之未病”

1.1 學術理念

目前，關于結構狀態(tài)識別和損傷檢測(damage detection，DD)方面的研究［7-8］大多集中于如何基于結構整體動態(tài)特性來改變識別結構中發(fā)生的損傷，其核心思想是認為損傷將顯著改變結構的剛度、質量或耗能能力，進而引起所測結構動力特征或響應的改變.SHM系統(tǒng)的監(jiān)測僅限于結構層次，相關的結構損傷檢測研究的學術理念是被動的，即只有當損傷演化到結構層次造成結構整體動力特性的顯著變化才可能被發(fā)現(xiàn)［9-10］.基于SHM 輸出信息進行的結構損傷識別與反演過程，難以鑒別輸出信息異常到底是由于結構中發(fā)生了真正的“物理損傷(病害)”還是數(shù)據或環(huán)境造成的損傷“假象”［11-13］.這樣被動的、只關注結構層次損傷的“結果”而非損傷演化“過程”的研究理念無法確保結構安全服役.大型工程結構中，損傷演化是一種漫長持久累積與突發(fā)過載造成的突變交互耦合作用的過程，結構設計的設防級別高，一般地震或其他形式的突發(fā)過載不至于使結構馬上破壞，但可能誘發(fā)結構內部的損傷演化進程“提速”，造成損傷從小尺度向大尺度、低層次向高層次的“躍進”，損傷演化過程隨時可能由于外在的微小誘發(fā)而產生崩潰性災變，進而導致結構失效.如果無法把握這一過程中的結構劣化特征，就只能任由結構損傷發(fā)生、演化，直至產生可被監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的嚴重損傷結果.具有前瞻性的學術理念應該是:主動地把握結構中損傷演化的過程，以便可以在損傷演化從局部的材料或構件層次發(fā)展到可能導致結構性病害乃至災變發(fā)生以前就能及時預見到危險，這種理念相當于“治結構之未病”.

“不治已病治未病”是中醫(yī)的防病養(yǎng)生謀略，包括未病先防、已病防變和已變防漸.結構中的損傷演化和累積過程如同人體的老化病變過程一樣.如果損傷演化蔓延至結構層次直至被SHM系統(tǒng)監(jiān)測到時，仍然還無法準確識別其具體位置和程度，事實上就是結構的“已病而不治”，是結構的“醫(yī)家之怯”.對待大型工程結構只有“思患而預防之”，才有可能確?！昂位贾小?而要能夠“思患而預防之”，其前提是必須認識到“患”從何而來、如何演變.由此可見，結構“治結構之未病”的關鍵在于，通過結構損傷預后來主動地把握結構中損傷演化的過程.損傷預后(damage prognosis，DP)是指對尚未或可能發(fā)生的損傷過程及其將產生后果的預測，它與結構損傷檢測是不同的理念.損傷檢測是基于監(jiān)測到的響應信息，通過指紋信息抽取、狀態(tài)反演來識別結構中已發(fā)生的損傷;而損傷預后是在認識損傷演化機理的前提下，結合結構服役歷史、當前狀態(tài)和通過模型預測的將來行為，綜合結構監(jiān)測檢測與維護信息，一起發(fā)展成為結構中可能發(fā)生的損傷演化過程及其后果的預測系統(tǒng).由此可見，DD與DP的區(qū)別在于，前者是發(fā)現(xiàn)損傷的既成事實，而后者是預測可能發(fā)生的損傷過程及其后果.DP是對結構損傷演化過程中的物理機制和監(jiān)測檢測信息同時進行綜合分析的過程，因此，與DD相比，可靠的DP方法將更優(yōu)越地鑒別輸出信號異常到底是結構發(fā)生了“物理損傷(病害)”還是數(shù)據或環(huán)境造成損傷“假象”.此外，DP更具有工程應用的前景，其成功實施將允許結構管理方在構件和結構層次上病害發(fā)生前就采取措施，以減輕將要發(fā)生的損傷或者維修結構，制止災難性結構失效的發(fā)生.

1.2 結構損傷演化的跨尺度特征

對于超大、超高或者超長的大型土木工程結構而言，要通過結構損傷預后來主動把握結構中損傷演化的過程顯然是相當困難的.除了由結構服役特點引起的環(huán)境惡劣、作用載荷復雜且部分不確定等因素外，更為關鍵的因素是，在結構漫長服役期間結構劣化與材料損傷共生共存，損傷演化的過程從材料中微/細觀缺陷和構件連接部位在建造中留下的細觀缺陷開始，在服役環(huán)境與極端災害環(huán)境的共同作用下，逐步發(fā)展到宏觀，造成結構劣化乃至發(fā)生災變.也就是說，損傷演化造成結構劣化的因與果分別屬于不同尺度、不同層次，跨越了微、細、宏觀量級的空間尺度.由于大型土木工程結構從結構形式到服役環(huán)境都是獨一無二且不可復制的，其構形復雜、體量巨大，無法進行足尺結構損傷試驗，給損傷分析研究帶來困難.由此可見，雖然預測和防止結構失效的任務是在結構這一最頂層，但損傷卻起源于最底層，即材料的微損傷［14］.材料在微觀或者細觀尺度上的損傷經過多個不同尺度物質、構件和結構層次上的損傷演化，最終導致整體結構(對于大型土木工程結構而言，其結構尺度大至千米級)破壞.認識這種結構跨尺度、多層次損傷演化機理，進而進行結構損傷演化過程預后，是解決結構安全服役的核心科學問題.

結構安全問題維系著人類建設與經濟發(fā)展中的工程安全，但受限于材料與結構強度研究領域中基礎理論發(fā)展的困難，因而在長久關注下仍難以取得突破.從忽略材料中的缺陷與非均勻性的材料強度理論(至今工程結構設計仍沿用此理論)，到1921年Griffith［15］創(chuàng)建斷裂力學，是固體力學理論的一個重大進展.此外，Griffith還提出了材料失效的尺度問題，即材料微觀上的缺陷會引起宏觀失效的強度變化問題，但這一問題直到近40年后才被系統(tǒng)地研究［16］.20 世紀中期，Kachanov［17］利用連續(xù)損傷變量描述材料微觀缺陷及其對力學性能的影響，由此開創(chuàng)的連續(xù)損傷力學是固體力學理論又一重大突破.20世紀末，損傷力學開始從最初宏細微觀結合的損傷理論向多尺度力學發(fā)展.盡管固體材料強度與結構失效仍然是固體力學在21世紀面臨的最大挑戰(zhàn)之一，但是多尺度科學的興起對于處理跨尺度非線性耦合的損傷誘發(fā)災變問題開辟了正確方向［18］.

2 研究現(xiàn)狀

2.1 結構性能分析與損傷計算方法

隨著工程科學和技術的發(fā)展，土木結構安全性領域的研究已經從單純使用階段的安全設計發(fā)展到工程全壽命周期安全管理［1］.已有研究表明，所有材料與結構先天都不是“完好”的［2］.雖然在設計和施工時都盡可能地避免缺陷，但在服役過程中仍然會存在缺陷萌生、損傷演化或裂紋擴展等現(xiàn)象，即使對于正常服役的結構，也會因長期緩慢的損傷(疲勞、蠕變等)累積而造成結構履行功能時所需力學性能的逐步喪失.因此，判斷結構是否安全，關鍵在于對工程結構和構件介于安全與失效之間的狀態(tài)進行準確評價［19］.顯然，這必須建立在對結構損傷演化、裂紋萌生和擴展過程機理及結構狀態(tài)的準確認識基礎之上.

準確認識結構損傷失效的過程、正確計算分析(預測)結構行為，是結構損傷預后的前提.在長達10卷130章、由來自21個國家超過190位著名學者撰寫的系列叢書《Comprehensive Structural Integrity》［20］中，對材料和結構損傷、斷裂(包括疲勞、蠕變問題等)的基本理論、計算方法進行了全面詳細的論述，堪稱結構性能評價大全.雖然考慮損傷的材料與結構非線性計算過程相當復雜，但隨著有限元技術的提高和越來越完善的大型有限元軟件的出現(xiàn)，在汽車、機械、航天等工業(yè)領域的結構分析中，已經可應用損傷和斷裂理論進行結構或構件損傷和裂紋擴展過程的非線性分析［20］.對構件和小型結構的損傷、斷裂和失效分析已經有大量理論和計算方法的積累，可以建立結構性能評價規(guī)范，尤其是針對以裂紋為主要缺陷的小型結構［21-23］.作為這方面的權威性論著，文獻［21］概要介紹了結構性能評價規(guī)范中斷裂評估使用的主要方法以及近年來發(fā)展起來的細觀計算方法和局部化方法等.而歐洲結構完整性評估規(guī)范［22］中除了有斷裂模塊，還包括疲勞模塊、蠕變模塊和腐蝕損傷模塊.但即使是這些新的結構完整性評估規(guī)范，在缺陷附近區(qū)域的應力計算中也沒有考慮損傷演化、裂紋擴展過程對結構熱點應力及應力重分配的影響［23］.針對大型土木基礎設施結構的分析理論相對于其他機械、航空等工程領域是滯后的，這一結論出現(xiàn)于美國土木工程學會(ASCE)的一個報告中［24］.該委員會最近發(fā)布的報告［25］中仍然指出，現(xiàn)在關于土木結構系統(tǒng)的承載能力、服役行為的認識是嚴重不足的，尤其是關于既有結構在長期服役以后的實際載荷傳遞機制、內力分布、失效模式與剩余壽命等方面，其預測結果的誤差之大往往是在數(shù)量級方面就不可接受的.

目前，在結構強度計算中，無法考慮服役期內載荷長期作用下的損傷累積與極端災害作用下的損傷突變.混凝土是典型的缺陷材料，但在結構設計計算和規(guī)范中仍然視為是連續(xù)的“理想材料”.對實際工程結構進行的原位加載試驗發(fā)現(xiàn)，許多傳統(tǒng)的基本假定和計算簡圖與實際受力狀態(tài)并不相符，計算結果大可存疑［26］.在鋼結構設計規(guī)范的討論中，認為鋼結構設計方法可向非線性分析方法改變，非線性的主要根源是材料損傷演化［27］.

2.2 結構損傷預后

損傷預后既不是單純地預測一個未發(fā)生的損傷事件，也不是對已發(fā)生的損傷狀態(tài)進行識別和評估，而是要在對結構當前響應及其損傷演化機理有準確認識的基礎上，利用當前響應和結構性能參數(shù)(由當前結構監(jiān)測信息獲得)建立的結構響應與損傷模型，推斷結構在現(xiàn)在與將來服役載荷和環(huán)境作用下的損傷演化過程及其結構性能劣化的結果.這一過程就如同醫(yī)生在掌握了病人當前癥狀和病理演變的基礎上，預后其病情發(fā)展過程以及治療以后的效果.同樣，如果能對結構進行損傷預后，也就可以對結構全壽命周期中影響損傷演化的關鍵過程和因素進行干預或控制，以保證結構全壽命周期安全.從這一意義上來看，結構損傷預后是結構監(jiān)測與保障全壽命安全的終極目標.

目前，關于大型土木結構損傷預后的研究工作還比較少.結構損傷預后的概念首次見諸于美國Los Alamos國家實驗室舉辦的專題研討會報告［28］.會議討論了與損傷預后相關的議題，如損傷模型、裂紋傳遞、基于模型的反問題以及損傷預后的不確定性驗證與確認等.Farrar等［29］對結構損傷預后做了進一步論述，指出了結構預后分析框架.根據這一框架，結構損傷預后分析過程中的關鍵問題包括:基于結構響應信息反演結構參數(shù)的結構損傷識別、結構初始缺陷的確定和結構損傷演化的模擬、基于結構載荷環(huán)境歷史的荷載預測模型以及綜合結構系統(tǒng)參數(shù)和荷載預測模型而建立的損傷預測模型.這些工作主要集中在疲勞損傷預后的框架構建［30］上，并且大多針對航空、機械領域，土木工程領域鮮少涉及.Gobbato等［31］借鑒基于性能的抗震分析框架，提出了飛機結構連接件的疲勞損傷預后可靠性分析的框架.Ling等［32］系統(tǒng)討論了基于結構健康監(jiān)測的疲勞預后分析理論，并給出了一個圓柱構件承受彎矩和扭矩的數(shù)值算例.Engel等［33］回顧并討論了結構壽命預測的關鍵問題，但仍然側重于航天領域.Schwabacher［34］系統(tǒng)闡述了人工智能算法在損傷預后分析中的應用，并指出驗證和確認(verification and validation，V＆V)是損傷預后分析中的最大挑戰(zhàn).

作為一種SBES(simulation-based engineering science)方法，結構損傷預后必然須面對SBES所面臨的兩大核心科學問題，即復雜系統(tǒng)或工程體系從微觀到宏觀的多尺度模擬和仿真方法以及在指定精度和可靠性下的仿真分析結果［31］.其中，在指定精度和可靠性下的預后分析也涉及到V＆V問題.整體而言，V＆V還處在發(fā)展的初期階段，其基本定義和原則一直備受爭議［35］.雖然結構預后分析是結構識別的理想目標，但由于問題的復雜性，對其研究也處于初級階段，尤其是在土木工程領域才剛剛起步.基于橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的疲勞損傷累積分析方法［36-38］，其實就是結構疲勞損傷預后研究的初步嘗試.

損傷預后取決于3個研究領域的發(fā)展:結構仿真模擬(predictive modeling)、先進的傳感系統(tǒng)(advanced sensing)及數(shù)據分析(data interrogation)［29］.其中，傳感系統(tǒng)和數(shù)據分析涉及較多的技術問題，已經得到了廣泛重視和大量研究，而損傷預后中結構損傷過程的仿真分析理論和算法涉及更多的力學科學問題，尚未深入展開研究.結構識別是涉及到多個層次(包括材料、傳感元件、傳感器及其系統(tǒng)、數(shù)據采集及傳輸系統(tǒng)、局部構件與整體結構)的系統(tǒng)工程.材料在微觀或者細觀尺度上的損傷，經過多個不同尺度的物質和結構層次上的損傷演化，最終會導致整體結構的破壞;這一過程的模擬是DP系統(tǒng)的核心，而其中的核心科學問題就是結構多尺度損傷演化機理.

2.3 多尺度演化過程模擬

大型土木工程結構損傷演化誘致的結構失效通常表現(xiàn)為突發(fā)性災變，災變前很難捕捉到明顯的前兆.破壞失效前的演化過程涉及很寬的空間和時間尺度范圍，其破壞過程通常是由大量微損傷的累積并通過跨尺度的非線性發(fā)展而誘發(fā)災變的.在此過程中，小尺度上的某些效應可能被強烈放大上升為顯著的大尺度效應，對系統(tǒng)的災變行為產生重要的影響.對于這類結構失效的尺度相關特性，Bazant等［16］專門綜述了結構失效尺度率的認知歷史及其本質，重點討論了脆性材料特別是混凝土破壞的尺寸效應及其機理.這些已被認識到的結構損傷演化尺度相關性，決定了大型土木結構損傷預后分析必須是跨尺度模擬與分析的.

多尺度模擬和計算是21世紀迅速發(fā)展的熱點與前沿研究領域［39］.目前，國際上方興未艾的多尺度分析大都針對材料特性的分析需要，并應用于復合材料(包括混凝土材料)的多尺度損傷與失效過程模擬中［40-44］.對于大型土木結構而言，由于作用在上千米結構上的載荷、整體響應與發(fā)生損傷的小于毫米級的局部細節(jié)以及材料中客觀存在的微觀缺陷在分析尺度上相差甚遠，如果在同一尺度上運用結構分析模型，必然使得分析結果與實測結果有較大偏差.因此，大型土木工程結構同樣存在多尺度模擬和計算的需要，此處涉及的空間尺度量級應該為微/細觀尺度到宏觀尺度［45］.然而，目前關于復雜土木結構多尺度損傷演化過程的時空多尺度模擬與分析方法的研究較少，缺乏系統(tǒng)的論述與足夠的關注.筆者的研究團隊在大跨橋梁結構空間多尺度模擬方面的初步研究結果［46-48］表明，結構多尺度力學問題與材料多尺度力學問題之間既存在共性的問題，也有其個性化特點和難點問題.結構最終的破壞常常是非常突然的災難性行為，即Bai等［49］提到的臨界敏感性(critical sensitivity).結構中多尺度損傷演化過程在不同層次上的臨界敏感性表現(xiàn)為，如果結構服役期內長期累積的損傷已達一定程度，脆弱的非穩(wěn)定狀態(tài)隨時可能被極端災害引發(fā)過載導致?lián)p傷演化的“躍進”而打破，使得損傷演化從材料或構件層次突然上升至上一層次，造成突發(fā)災難.要揭示這種損傷多尺度演化機理，必須進行一致(concurrent)或并行(integrated)的結構多尺度模擬和分析.

2.4 結構損傷多尺度模擬與分析

2.4.1 結構損傷多尺度模擬

近年來，筆者的研究團隊在結構損傷多尺度模擬研究中取得了較多進展［50-60］.大型土木結構的鋼構件交匯處由于構造與連接特性往往容易發(fā)生應力集中，同時這些交匯連接處在通過鉚接、焊接等方式連接時，由于現(xiàn)場施工質量難以控制，總會存在細觀的孔洞、微裂紋等先天缺陷，加劇了該處的應力集中現(xiàn)象，使之成為結構易損部位.在結構服役過程中，即使大部分構件都處于彈性變形階段，這些易損部位也可能到達塑性、發(fā)生損傷乃至局部失效.針對這類問題，建立了結構損傷跨尺度演化的廣義場方程組，并進行全耦合求解，以實現(xiàn)細、宏觀尺度下應力、應變、損傷等力學參量的跨尺度定量轉換，準確描述結構局部的細觀損傷狀態(tài)、演化過程及其對結構宏觀應力應變響應與失效的影響［53］.在結構劣化的初期階段，如果局部損傷演化的程度尚未達到誘致結構失效(即損傷變化不太劇烈)，可利用均勻化方法來建立微/細觀尺度損傷與宏觀尺度損傷之間的跨尺度關聯(lián)，進行損傷跨尺度演化的廣義場方程組全耦合求解.在結構劣化的中期和末期，局部損傷演化程度較高時，可能會導致?lián)p傷區(qū)域蔓延甚至發(fā)生局部失效，這就要求進行多尺度并發(fā)計算，以避免在損傷非線性迭代計算過程中使用遞階方法必然會造成的誤差累積.并發(fā)計算首先要求建立結構一致多尺度模型，并在不同尺度的交界面上建立宏、細觀變量的跨尺度關聯(lián)，從而進行結構損傷的并發(fā)多尺度計算.

2.4.2 動態(tài)跨尺度界面模擬

結構損傷跨尺度演化過程模擬中的關鍵問題主要包括:① 結構多尺度模型的建立、修正和驗證;② 結構多尺度模擬中的連接與跨越問題;③適用于大型結構多尺度模擬和損傷跨尺度演化分析的實施策略與技術.其中，結構多尺度模擬中的連接與跨越問題指的是在不同量級尺度下模型之間的銜接或界面區(qū)域的處理.由于不同尺度所采用的有限單元類型節(jié)點的自由度和精度各不相同，因此實現(xiàn)跨尺度界面銜接的關鍵在于如何實現(xiàn)尺度交界面處節(jié)點數(shù)量不對應情況下的變形協(xié)調.基于不同尺度的交界面節(jié)點耦合的多點約束法是一種能夠有效銜接交界面上宏、細觀變量的方法，其基本思想是通過約束方程實現(xiàn)不同尺度之間參量的跨尺度關聯(lián)［59］.

損傷局部演化造成結構失效的過程是一個隨結構服役時間變化的動態(tài)過程，結構的幾何、物理性質會隨著損傷演化的發(fā)展而發(fā)生動態(tài)變化，尤其是在臨近失效時這些變化會變得非常劇烈.此時，結構多尺度模型中原來采用大尺度進行建模計算的部分，會隨著損傷演化區(qū)域的蔓延而不再適合，甚至可能造成很大的誤差.這就要求必須從動態(tài)的角度審視損傷演化造成的結構失效過程以及其中的跨尺度連接問題，在計算過程中隨時監(jiān)測損傷演化的狀態(tài)，并適時對原有模型進行適當修改，形成跨尺度連接的動態(tài)機制.為此，筆者的研究團隊正在嘗試建立結構損傷跨尺度演化過程計算中跨尺度交界面的動態(tài)模擬機制和實施技術［60］.研究結果表明，初步建立的方法能夠在考慮跨尺度界面隨著損傷區(qū)擴展而動態(tài)變化的情況下，保證多尺度計算精度及響應在跨尺度界面上的連續(xù)性.

2.4.3 多尺度計算方法

目前，多尺度計算方法主要分為兩大類:串行(sequential)多尺度方法和并行(concurrent或integrated)多尺度方法［38］.在土木結構分析中得到部分應用的經典子結構法、子模型法以及代表體元法，都屬于典型的串行多尺度方法.利用該類方法可通過對結構中關鍵部位進行二次分析，獲得與結構安全性相關的結構響應量的評價.然而，這類方法需要人工引入細觀模型的邊界條件，導致計算結果往往具有一定的誤差，同時也不適于分析結構損傷的非線性演化過程.因此，串行多尺度方法難以實現(xiàn)由結構損傷演化導致破壞的全過程分析.現(xiàn)有的多尺度數(shù)值計算方法還無法應用于不同尺度間耦合的機理分析中，即探討小尺度如何影響大尺度的行為和性能，這是結構多尺度損傷演化分析中的重要任務.Bai等［49］針對某些不同尺度強耦合的情況(如層裂)，采用統(tǒng)計細觀損傷力學的范式處理，探討了材料破壞的機理.Liu等［61］對已有的多尺度方法進行了全面的總結，并在綜合諸多成功方法的基礎上，提出了一種尺度連接的通用方法，即通過引入虛擬內力(內力功)法，使得連接界面滿足力等效和能量等效，可供大型土木工程結構損傷多尺度分析時借鑒.必須看到，結構的動力破壞過程是一個復雜的時空多尺度損傷演化過程.為了對結構進行時空多尺度分析，Ladeveze等［62］對時空尺度進行了3個層次的分解計算，構造了一種有別于平均化過程的多尺度方法.對于流固耦合問題(如大跨橋梁受風載荷作用下的動力破壞等)，Takizawa等［63］提出了一種基于多尺度變分方法發(fā)展的時空多尺度方法，為研究結構動力破壞過程的多尺度計算提供參考.

3 關鍵科學問題與解決思路

揭示結構損傷多尺度非線性演化機理并且能夠準確地模擬其演化過程，是大型土木結構多尺度損傷預后的首要關鍵科學問題.在揭示服役與極端災害環(huán)境載荷作用下結構損傷多尺度(微/細、宏觀尺度)非線性演化機理的基礎上，才能建立結構損傷演化過程分析的時空多尺度模型和多尺度計算方法，為結構損傷預后研究提供理論分析的基礎.解決這一關鍵科學問題的主要思路是，合理表征服役載荷與極端災害環(huán)境下材料與構件在不同尺度上的損傷變量，準確抓住其所屬層次、所屬尺度上的損傷特征及其主要影響因素，并探明其物理意義和跨尺度的關聯(lián)性，進行多尺度損傷表征、量化與模擬分析.結構損傷多尺度演化過程模擬與分析的思路如圖1所示.

在探明結構損傷多尺度非線性演化機理的基礎上，要進行大型土木結構多尺度損傷預后還必須解決第2個關鍵科學問題，即結構服役過程中遭遇極端災害作用時損傷演化中跨層次突變導致的結構災變機理及其損傷過程預測.揭示這種服役載荷與極端災害交互作用下的結構損傷演化的跨層次災變機理，是進行結構預后分析的關鍵.解決這一關鍵科學問題的主要思路是:發(fā)展新型的多層次傳感器優(yōu)化與多層次結構響應監(jiān)測技術，提出基于多層次監(jiān)測信息的結構多尺度響應重構方法，以表征和識別結構在極端災害下?lián)p傷跨層次演化的特征及其臨界狀態(tài);考慮結構在極端災害作用下可能發(fā)生的強非線性破壞、極端載荷與結構響應的強耦合現(xiàn)象;發(fā)展新型的結構狀態(tài)反演分析理論與方法，以確定結構損傷災變狀態(tài).

圖1 結構多尺度損傷演化機理分析的研究技術路線

大型土木結構安全性能的影響因素多、時間跨度長，其間受到許多不確定性因素的影響，使得結構損傷預后分析中存在諸多不確定性，主要包括系統(tǒng)本身的隨機不確定性(如監(jiān)測數(shù)據和結構參數(shù)不確定性)與認知不確定性.如果不考慮這些不確定因素，多尺度損傷預后基礎上的全壽命安全性能評估勢必會出現(xiàn)概率意義下的偏差，影響預后分析和安全性評估的可靠性，甚至會導致結果可靠性過低而不再具有實際意義.損傷預后分析絕不是單純的結構損傷過程模擬，它需要在結構損傷模擬過程中，結合結構運營監(jiān)測系統(tǒng)(SUM)、結構健康監(jiān)測系統(tǒng)、結構在載荷環(huán)境與運營狀態(tài)方面的過去歷史、現(xiàn)在狀態(tài)和通過模型預測的將來行為，并綜合結構載荷與運營環(huán)境的設計值以及結構試驗與維護信息，發(fā)展成為結構預后系統(tǒng).研究和建立結構損傷預后系統(tǒng)的技術路線如圖2所示.

4 發(fā)展趨勢與應用前景

基于上述現(xiàn)狀分析，該領域研究的發(fā)展趨勢可總結如下:

1)結構監(jiān)測與損傷識別方法著眼于結構損傷演化的“結果”，容易造成結構“已病而不治”，是被動的學術理念，必須向著眼于認識結構損傷“過程”的方向發(fā)展.

2)結構損傷多尺度演化過程模擬是結構損傷預后的核心.雖然大型土木結構損傷預后中的結構多尺度損傷模擬與計算研究才剛剛起步，但材料多尺度領域發(fā)展起來的一些多尺度計算方法仍然是可供借鑒的.

3)當前大量的損傷檢測理論與方法無法成功應用于大型土木工程中，結構損傷預后則是突破這一困境的希望.只有轉變思路，變檢測損傷“結果”為預后損傷演化的“過程及其后果”，才有望讓SHM系統(tǒng)發(fā)揮作用，以確保大型土木結構安全.盡管損傷預后分析在土木工程領域才剛剛起步，但初步的研究結果已表明，結構多尺度損傷預后將成為大型土木工程結構全壽命安全的未來保障.

圖2 大型土木結構損傷預后系統(tǒng)集成研究的技術路線

由此可見，雖然結構多尺度損傷預后研究面臨巨大的科學問題挑戰(zhàn)，只要充分利用多尺度科學的發(fā)展和大型土木結構安全服役需求帶來的推動力，針對共性科學問題，經過基礎學科與工程學科的通力合作、努力工作，有望使結構多尺度損傷演化及預后的基礎研究成為多尺度結構破壞力學基礎理論發(fā)展的一個突破口.該領域的理論發(fā)展可望給土木結構全壽命安全帶來如下前景:

1)揭示結構損傷多尺度、跨層次非線性演化導致結構失效的機理.相關理論研究的突破將揭示大型土木結構損傷多尺度、跨層次演化與失效機理，填補當前這方面的空白，從而改變目前大型土木基礎設施工程無法預知結構中潛在損傷狀況、局部失效危險性和安全可靠性的現(xiàn)狀.

2)發(fā)展可靠的大型土木結構損傷預后方法.損傷預后可提前預見結構中潛在損傷演化的過程及其后果，以便在損傷演化從材料層次發(fā)展到構件或結構層次以前，即可成功地對結構服役性能劣化程度進行預見性的評估.通過預后主動把握結構損傷多尺度、跨層次演化的過程及其在結構性能劣化過程中表現(xiàn)出的行為特征，對在役和擬建大型土木結構建立損傷預后系統(tǒng)，啟動大型土木結構全壽命周期中狀態(tài)可知、可控、從而有針對性地維護管理的新時代.

3)建立基于損傷預后的大型土木結構全壽命安全的理論體系.該理論體系涵蓋設計、服役、防災減災等結構全壽命周期中的關鍵環(huán)節(jié)，包括基于預后的結構“損傷性能”設計計算理論、服役環(huán)境下結構損傷跨層次演化致災預期以及基于預后的結構剩余壽命評估，從設計、服役和防災減災的每一環(huán)節(jié)“思患而預防之”，為大型土木結構全壽命周期安全提供“治結構之未病”的理論基礎.

5 結語

結構損傷預后的意義在于，變檢測損傷結果為預后潛在損傷的演化過程及其后果，從而對長期服役期內尤其是遭受極端災害載荷后土木結構的潛在損傷與安全性進行預后分析.通過分析，可全面掌握結構全壽命安全的主動權，在發(fā)生結構層次上的病害前提前采取預防性措施，從而有效降低結構失效的風險.此外，還可針對預后分析獲得的結構多尺度損傷演化規(guī)律及其對結構性能劣化的影響，從設計、服役和防災減災等結構全壽命周期安全的每一關鍵環(huán)節(jié)，對結構提供“治未病”之策略.

縱觀破壞力學的發(fā)展及其工程應用的歷史，始于20世紀40年代的斷裂力學于70年代起就應用于航空、壓力容器結構設計規(guī)范和結構疲勞校核計算;但是，發(fā)展近半個世紀的損傷力學在推動結構計算方法和設計觀念變革方面仍蓄勢待發(fā).伴隨著結構全壽命周期安全理念的推廣(重大需求推動下工程界觀念改變)和多尺度損傷預后理論的建立(提供必需的基礎理論和方法)，發(fā)展全新的結構安全基礎理論和方法已勢在必行.為此，在應對土木工程結構的安全需求、發(fā)展結構多尺度損傷預后理論的同時，也需大力推動破壞力學等相關力學理論的發(fā)展.

在本文的主要學術思想尤其是相關研究思路形成的多次研討過程中，香港理工大學徐幼麟教授、合肥工業(yè)大學任偉新教授、武漢大學徐禮華教授、同濟大學薛松濤教授以及東南大學呂志濤院士、張建教授、吳剛教授、劉釗教授等均發(fā)表了諸多建設性意見，使筆者深受啟發(fā)，對此筆者深表謝意!在本文文獻綜述工作過程中，筆者研究團隊的郭力副教授、糜長穩(wěn)副教授、靳慧副教授、張培偉講師、王瑩講師以及博士生吳佰建、何頂頂、鄭哲遠、王新月等協(xié)助開展了大量工作，在此也深表感謝!

References)

［1］工程技術發(fā)展研究綜合專題組.2020年的中國工程技術發(fā)展研究［R］.北京:清華大學出版社，2004.

［2］Milne I，Ritchie R O，Karihaloo B.Comprehensive structural integrity:structural integrity assessment-examples and case studies［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［3］Farrar C R，Worden K.An introduction to structural health monitoring［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):303-315.

［4］李宏男，高東偉，伊廷華.土木工程結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況與進展［J］.力學進展，2008，38(2):151-166.Li Hongnan，Gao Dongwei，Yi Tinghua.Advances in structural health monitoring systems in civil engineering［J］.Advances in Mechanics，2008，38(2):151-166.(in Chinese)

［5］Xu Y L，Xia Y.Structural health monitoring of longspan suspension bridges［M］.Oxford:CRC Press，2012.

［6］楊智春，于哲峰.結構健康監(jiān)測中的損傷檢測技術研究進展［J］.力學進展，2004，34(2):215-223.Yang Zhichun，Yu Zhefeng.Progress of damage detection for structural health monitoring［J］.Advances in Mechanics，2004，34(2):215-223.(in Chinese)

［7］Aktan A E，Catbas F N，Grimmelsman K A，et al.Development of a model health monitoring guide for major bridges［R］.New York:Federal Highway Administration Research and Development，2002.

［8］Brownjohn J M.Structural health monitoring of civil infrastructure［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):589-622.

［9］Doebling S W，F(xiàn)arrar C R，Prime M B，et al.Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics:a literature review［R］.Los Alamos，New Mexico，USA:Los Alamos National Laboratory，1996.

［10］Doebling S W，F(xiàn)arrar C R，Prime M B.A summary review of vibration-based damage identification methods［J］.Shock and Vibration Digest，1998，30(2):91-105.

［11］Friswell M I.Damage identification using inverse methods［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):393-410.

［12］Fassois S D，Sakellariou J S.Time-series methods for fault detection and identification in vibrating structures［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):411-448.

［13］Fan W，Qiao P.Vibration-based damage identification methods:a review and comparative study［J］.Structural Health Monitoring，2011，10(1):83-111.

［14］白以龍，汪海英，柯孚久.從“哥倫比亞”號悲劇看多尺度力學問題［J］.力學與實踐，2005，26(3):1-6.Bai Yilong，Wang Haiying，Ke Fujiu.A view on multi-scale mechanical problems from columbia tragedy［J］.Mechanics in Engineering，2005，26(3):1-6.(in Chinese)

［15］Griffith A A.The phenomena of rupture and flow in solids［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，1921，221(582):163-198.

［16］Bazant Z，Chen E P.結構破壞的尺度率［J］.力學進展，1999，29(3):383-433.Bazant Z，Chen E P.Scaling of structural failure［J］.Advances in Mechanics，1999，29(3):383-433.(in Chinese)

［17］Kachanov L M.Time of the rupture process under creep conditions［J］.Izv Akad Nauk SSSR Otd Tekh Nauk，1958，8:26-31.(in Russian)

［18］何國威，夏蒙芬，柯孚久，等.多尺度耦合現(xiàn)象:挑戰(zhàn)和機遇［J］.自然科學進展，2004，14(2):121-123.He Guowei，Xia Mengfen，Ke Fujiu，et al.Multiscale coupling:challenges and opportunities［J］.Advances in Natural Science，2004，14(2):121-123.(in Chinese)

［19］Miller K.Structural integrity—whose responsibility?［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part L:Journal of Materials Design and Applications，2003，217(1):1-21.

［20］Milne I，Ritchie R O，Karihaloo B.Comprehensive structural integrity［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［21］Zerbst U，Schwalbe K H，Ainsworth R A.An overview of failure assessment methods in codes and standards［M］.Oxford:Elsevier，2003.

［22］FITNET.Welded structures，design，fabrication and structural integrity:final technical report［EB/OL］.(2006)［2012-10-12］.http://www.eurofitnet.org/reports.html.

［23］Gutiérrez-Solana F，Cicero S.FITNET FFS procedure:a unified European procedure for structural integrity assessment［J］.Engineering Failure Analysis，2009，16(2):559-577.

［24］Doebling S，F(xiàn)arrar C R.The state of the art in structural identification of constructed facilities［EB/OL］.(1999)［2012-10-12］.http://www.lanl.gov/.

［25］?atba? F N，Kijewski-Correa T，Aktan A E.Structural identification of constructed facilities:approaches，methods and technologies for effective practice of structural identification ［R］.Reston，VA，USA:ASCE Press，2011.

［26］邸小壇，葉列平，徐有鄰.《混凝土結構設計規(guī)范》修訂簡介(二)——混凝土結構的安全與抗災性能［J］.建筑結構，2011，41(3):118-123.Di Xiaotan，Ye Lieping，Xu Youlin.Introduction of revision of code for design of concrete structure:safety and calamity resistance performance of concrete structures［J］.Building Structure，2011，41(3):118-123.(in Chinese)

［27］沈祖炎.中國《鋼結構設計規(guī)范》的發(fā)展歷程［J］.建筑結構學報，2010，31(6):1-6.Shen Zuyan.Development of the Chinese'code for design of steel structures［J］.Journal of Building Structures，2010，31(6):1-6.(in Chinese)

［28］Inman D J，F(xiàn)arrar C R.Damage prognosis:current status and future needs［R］.Los Alamos，New Mexico， USA:LosAlamosNationalLaboratory，2003.

［29］Farrar C R，Lieven N A.Damage prognosis:the future of structural health monitoring［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physicaland Engineering Sciences， 2007， 365(1851):623-632.

［30］Boller C，Buderath M.Fatigue in aerostructures—where structural health monitoring can contribute to a complex subject［J］.Philosophical Transactions of the Royal Society A:Mathematical，Physical and Engineering Sciences，2007，365(1851):561-587.

［31］Gobbato M，Conte J P，Kosmatka J B，et al.A reliability-based framework for fatigue damage prognosis of composite aircraft structures［J］.Probabilistic Engineering Mechanics，2012，29:176-188.

［32］Ling Y，Mahadevan S.Integration of structural health monitoring and fatigue damage prognosis［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012，28:89-104.

［33］Engel S J，Gilmartin B J，Bongort K，et al.Prognostics，the real issues involved with predicting life remaining［C］//Proceedings of 2000 IEEE Aerospace Conference.Big Sky Resort，Montana，USA，2000:457-469.

［34］Schwabacher M A.Survey of data-driven prognostics［C］//Proceedings of the AIAA Infotech Aerospace Conference.Reston，VA，USA，2005:26-29.

［35］Oden J T，Belytschko T，F(xiàn)ish J，et al.Revolutionizing engineering science through simulation［EB/OL］.(2006-05)［2011-10-22］.http://www.nsf.gov/pubs/reports/sbes_final_report.pdf.

［36］Li Z X，Chan T H T，Ko J M.Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health monitoring data.PartⅠ:methodology and strategy［J］.International Journal of Fatigue，2001，23(1):45-53.

［37］Chan T H T，Li Z X，Ko J M.Fatigue analysis and life prediction of bridges with structural health monitoring data.PartⅡ:application［J］.International Journal of Fatigue，2001，23(1):55-64.

［38］Li Z X，Chan T H T，Ko J M.Health monitoring and fatigue damage assessment of the bridge deck sections［C］//Proceedings of the 5th International Symposium on Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aging Infrastructure.Newport Beach，CA，USA，2000:346-357.

［39］Chong K P.NSF research in mechanics-computational＆ other areas［C］//Proceedings of the 3rd Annual Meeting of the Fracture Mechanics.Zhengzhou，China，2005:323-332.

［40］Grondin F，Dumontet H，Hamida A，et al.Multiscales modelling for the behaviour of damaged concrete［J］.Cement and Concrete Research，2007，37(10):1453-1462.

［41］Andrade J E，Avila C F，Hall S A，et al.Multiscale modeling and characterization of granular matter:from grain kinematics to continuum mechanics［J］.Journal of the Mechanics and Physics of Solids，2011，59(2):237-250.

［42］Nguyen V P，Stroeven M，Sluys L J.Multiscale failure modeling of concrete:micromechanical modeling，discontinuous homogenization and parallel computations［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2012，201:139-156.

［43］Zhang H W，Wu J K，F(xiàn)u Z D.Extended multiscale finite element method for mechanical analysis of periodic lattice truss materials［J］.International Journal for Multiscale Computational Engineering，2010，8(6):597-613.

［44］Cao L Q，Luo J L.Multiscale numerical algorithm for the elliptic eigenvalue problem with the mixed boundary in perforated domains［J］.Applied Numerical Mathematics，2008，58(9):1349-1374.

［45］吳佰建，李兆霞，湯可可.大型土木結構多尺度模擬與損傷分析——從材料多尺度力學到結構多尺度力學［J］.力學進展，2007，37(3):321-336.Wu Baijian，Li Zhaoxia，Tang Keke.Multi-scale modeling and damage analyses of large civil structure—multi-scale mechanics from material to structure［J］.Advances in Mechanics，2007，37(3):321-336.(in Chinese)

［46］Li Z X，Zhou T Q，Chan T H T，et al.Multi-scale numerical analysis on dynamic response and local damage in long-span bridges［J］.Engineering Structures，2007，29(7):1507-1524.

［47］Li Z X，Chan T H T，Yu Y，et al.Concurrent multiscale modeling of civil infrastructures for analyses on structural deteriorating.PartⅠ:modeling methodology and strategy［J］.Finite Element in Analysis and Design，2009，45(11):782-794.

［48］Li Z X，Jiang F F，Tang Y Q.Multi-scale analyses on seismic damage and progressive failure of steel structures［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2012，48(1):1358-1369.

［49］Bai Y L，Wang H Y.Statistical mesomechanics of solid，linking coupled multiple space and time scales［J］.Applied Mechanics Reviews，2005，58(6):372-388.

［50］Tang K K，Li Z X，He D D，et al.Evolution of plastic damage in welded joint of steel truss with pre-existing defects［J］.Theoretical and Applied Fracture Mechanics，2010，54(2):117-126.

［51］Chan T H T，Li Z X，Yu Y，et al.Concurrent multiscale modeling of civil infrastructures for analyses on structural deteriorating— partⅡ:model updating and verification［J］.Finite Elements in Analysis and Design，2009，45(11):795-805.

［52］李兆霞，王瀅，吳佰建，等.橋梁結構劣化與損傷過程的多尺度分析方法及其應用［J］.固體力學學報，2010，31(6):731-756.Li Zhaoxia，Wang Ying，Wu Baijian，et al.Multiscale modeling and analysed on structural deterioration and damage in long-span bridges and its application［J］.Chinese Journal of Solid Mechanics，2010，31(6):731-756.(in Chinese)

［53］陳志文，李兆霞.結構損傷多尺度描述及其均勻化算法［J］.東南大學學報:自然科學版，2010，40(3):533-537.Chen Zhiwen，Li Zhaoxia.Multi-scale damage modeling and its homogenization arithmetic for analyses on structural deteriorating［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(3):533-537.(in Chinese)

［54］孫正華，李兆霞，陳鴻天.大型土木結構的結構行為一致多尺度模擬——模擬方法與策略［J］.計算力學學報，2009，26(6):886-892.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Concurrent multi scale modeling of structural behavior for response analysis of large civil infrastructure—modeling methodology and strategy［J］.Chinese Journal of Computational Mechanics，2009，26(6):886-892.(in Chinese)

［55］孫正華，李兆霞，陳鴻天.大跨斜拉橋結構行為一致多尺度有限元模擬［J］.中國公路學報，2009，22(5):68-74.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Concurrent multi-scale finite element modeling of long-span cable-stayed bridge［J］.China Journal of Highway and Transport，2009，22(5):68-74.(in Chinese)

［56］Tang K K，Li Z X，Lee J D.Multiple-time-scale simulation and its application in structural health monitoring［J］.International Journal of Terraspace Science and Engineering，2009，1(3):93-97.

［57］王春苗，李兆霞，殷愛國.大型土木結構多目標一致逼近有限元模擬方法［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(1):78-84.Wang Chunmiao，Li Zhaoxia，Yin Aiguo.Multi-objective concurrent approaching of simulating for civil infrastructure［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2009，39(1):78-84.(in Chinese)

［58］孫正華，李兆霞，陳鴻天.結構行為一致多尺度有限元模型修正及驗證［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(1):85-90.Sun Zhenghua，Li Zhaoxia，Chen Hongtian.Updating and verification for multi-scale finite element model of structure behavior［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2009，39(1):85-90.(in Chinese)

［59］湯軼群，李兆霞.強載荷下結構動力響應與損傷的跨尺度分析［J］.振動與沖擊，2012，31(23):16-23.Tang Yiqun，Li Zhaoxia.Damage and dynamic response analysis for structures under strong loads with a trans-scale modeling［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(23):16-23.(in Chinese)

［60］Zheng Z Y，Li Z X，Chen Z W.Adaptive multiscale analyses on structural failure considering localized damage evolution on vulnerable joints［J］.Archives of Civil and Mechanical Engineering，2013.(to appear)

［61］Liu W K，Qian D，Gonella S，et al.Multiscale methods for mechanical science ofcomplexmaterials:bridging from quantum to stochastic multiresolution continuum［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，2010，83(8/9):1039-1080.

［62］Ladeveze P，Nouy A.On a multiscale computational strategy with time and space homogenization for structural mechanics［J］.Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2003，192(28/29/30):3061-3087.

［63］Takizawa K，Tezduyar T E.Multiscale space-time fluid-structure interaction techniques［J］.Computational Mechanics，2011，48(3):247-267.