基于振动测试的杆系钢结构损伤识别的研究（可编辑）

基于振动测试的杆系钢结构损伤识别的研究（可编辑） 基于振动测试的杆系钢结构损伤识别的研究 武汉理工大学博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 摘要 随着社会的进步和经济的快速发展,土木工程结构的形式和功能日趋复杂, 其安全越来越受到人们的重视。结构健康监测系统越来越多的安装到大跨桥梁、 大型空间结构等大型土木工程结构中,但作为健康监测系统核心技术的损伤识 别仍未从根本上得到解决,严重制约了结构健康监测系统的应用和发展。 ’ 基于振动测试的结构损伤识别得到了广泛的研究和发展,人们提出了很多 方法,这些方法在数值仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 及实验室试验中均取得了良好的识别效果。但 由于实际的土木工程结构体积巨大,形式复杂,观测手段的限制等原因,通常 难以获得这些传统的损伤识别方法所要求的测试信息及测试精度,因此,在已 提出的结构损伤识别方法中能够成功应用到土木工程结构的损伤识别和健康监 测中的例子尚不多见。结构损伤识别要在土木工程中走向实用还有很多问题需 要解决,其中最主要的问题是需要解决测试信息不完备和测量噪声干扰条件下 的参数识别及损伤识别问题。基于这样的背景,本文分别以杆系钢结构的轴向 刚度和侧向刚度损伤识别为研究对象,提出了两种不同的损伤识别方法,即基 于遗传算法的智能算法和基于改进残余力向量的解析算法,并在一些测试条件 相同的结构算例中比较了它们的识别效果。本文主要研究工作分为六 :: 卑: 第一章是绪论。阐述了本论文的选题背景和目前结构损伤识别研究现状, 并对本文的主要研究内容做了介绍。 第二章提出基于频响函数和遗传算法的结构损伤识别方法。遗传算法是计 算智能的一个重要组成部分,与常规的数学方法相比,它具有高度的自适应性、 鲁棒性和并行性,因而对于包含非确定性和噪声的信息也有一定的处理能力, 是一种典型的全局优化方法。如果结构输入激励已知,频响函数的测试简 单且精度好,所包含的结构信息丰富。用测试频响函数及相应的计算频响函数 构造遗传算法目标函数进行结构损伤识别,能够在考虑较高噪声水平情况下 将 结构的损伤识别出来。 第三章在前人研究基础上提出基于残余力向量的杆系结构损伤直接识别 法,克服了由残余力向量法~般只能得到结构损伤位置而无法识别其程度的缺 点。该方法用刚度联系矩阵将损伤后结构刚度矩阵的变化矩阵展开,得到一个 新的残余力向量方程,求解即可得到各单元刚度参数改变量的解析解,仅需一武汉理工大学博学位论文 阶模态参数经一步计算就能够同时识别损伤的位置和损伤的程度。 第四章研究了输出测量信息不足时结构的损伤识别问题。在基于残余力向 量的结构损伤直接识别法中,当输出信息测量不足时无法得到完备的模态振型, 完备的模态振型只能通过模态扩阶得到,而由扩阶模态进行结构损伤识别的效 果与损伤处的测试信息完备程度有关。在基于遗传算法的结构损伤识别法中, 提出直接由不完备的测试频响函数构造遗传算法的目标函数进行结构的损伤识 别,在结构的算例中,识别效果良好。 第五章研究了输入未知时结构的损伤识别问题。在噪声干扰下结构的模态 参数识别误差较大,由此导致了依赖模态参数进行识别的残余力向量法的识 别 误差也较大,只有在很低水平的噪声条件下识别出来的结果才是可靠的。在基 于遗传算法的结构损伤识别法中,在输入未知时无法获得结构的实测频响函数, 如果输入的频谱平坦,近似为有限带宽的白噪声比如脉动风,其功率谱为一 常数,则结构的原点频响函数和自功率谱具有相似的形状。提出直接由测试的 结构自功率谱和计算的原点频响函数来构造遗传算法的目标函数,进行结构的 损伤识别,在结构算例中,获得了很好的识别效果。最后还讨论了在 输入未知且输出测量信息不足时,仅以部分实测自功率谱和相应的计算频响函 数构造遗传算法的目标函数,进行结构的损失识别,在算例中也能够获得很好 的识别效果。 第六章总结了本文的主要研究内容,指出尚需要进一步研究解决的问题并 对将来的研究工作做了展望。 关键词:结构健康监测;结构损伤识别:振动测试;残余力向量;遗传算法; 频响函数;功率谱 武汉理工大学博士学位论文也, . 也? 、 ? ? , , . ... , . . , ..: . .. :... . . , ,. . . . , . 也 。. ?武汉理工大学博士学位论文 . 也 , , . , .伍, . . , .. .. 伍 . . . , 丘胁.珊. ,, ,., ,讧 , , ,,’.讧 , . , . . , . . . . .. : ; ;; ; ; ; 武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他 人已 经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名,:鲤重茭,日期翌丝 么 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文,并向社会公众提供信 息服务。 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生签名:鱼乏歪查导师签名: 注:此表经研究生及导师签名后,请装订在学位论文摘要前页。武汉理工大学博士学位论文 第章绪论 .课题的研究背景和科学研究意义 近二三十年来,随着经济的发展,技术的进步,土木工程结构的规模也越 来越大,结构形式与功能日趋复杂,超高层建筑,大跨度桥梁,巨型的屋顶结 构等层出不穷。如在我国上海,相继建成了高的金茂大厦和高的上海 环球金融中心;已建成的大跨度桥梁有主跨的香港青马大桥、主跨 的江阴大桥和主跨的润杨长江大桥等。然而在世界各国都相继发生了一些 结构突然性的破坏事件.这些事故均造成了巨大的经济损失和人员伤亡】。。 年,美国俄亥俄河上的银桥倒塌,导致人丧生;年:韩国汉 城横跨江汉的圣水太桥发生了中央断塌,其中掉入江中,造成死亡人, 重伤人的重大事故;年月我国重庆市綦江彩虹桥倒塌,导致了人死亡, 人受伤的惨剧;年月台湾省连接高雄与屏东的重要通道上的高屏大桥, 发生了突然断裂的事故.造成了辆汽车坠入河中,人受伤;年月宜宾 市的南门大桥断裂事故造成辆客车坠下河岸和江中,有名驾乘人员失踪; 年月,莫斯科德兰士瓦水上乐园的玻璃屋顶突然坍塌,随后一面墙也轰然倒 塌, 造成多人死亡,多人受伤:年月巴黎戴高乐机场候机厅发生屋顶 坍塌事故,造成包括两名中国公民在内的人不幸遇难,多名旅客和机场人员 受 伤。年日我国位于苏州梅堰古镇申湖线上的堰月桥突然断裂至少有人 受伤,一人死亡。图一为一些土木工程结构事故实例。 糯囊 宜宾南门大桥桥面断裂 莫斯科水上乐同屋顶坍塌武汉理工大学博士学位论文 巴黎戴高乐机场候机厅屋顶坍塌 苏州堰月桥断裂 图.土木工程结构事故实例 这些灾难性的事件使得各国科研人员认为,对大型复杂土木工程结构在运 营状态进行健康监测是非常有必要的。由于大型土术工程结构的力学和结构特 点阻及所处的特定环境,在其 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 阶段掌握和预测其力学特性和行为特性是比 较困难的。所以通过结构健康监剽获得的实际结构的动静力行为来检验结构的 理论模型和计算假定,不仅对设计理论和设计模型有验证作用,而且有益于新的 设计理论的形成。而等人”蠕结构健康监测与评估系统定义为:一种从营 运状态的结构中获取并处理数据,评估结构的主要性能指标如可靠性、耐久性 等的有效方法。它结合了无损检测和结构特性分析包括结构响应,目 的是为了诊断结构中是否有损伤发生,判断损伤的位置,估计损伤的程度以及 评估损伤对结构将要造成的后果。 许多国家在一些己建和在建的大跨桥梁建立了桥梁健康监测系统或类似的 尝试:丹麦曾对总长的跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年的监 测,旨在检查关键的设计参数,监测施工危险阶段以及获取开发优化的监控 维 悬索桥上 护系统所必需的桥梁健康记录,另外他们在主跨的 已开始尝试把极端记录与正常记录分开处理的技术以期减小数据存量”墨西哥 有关部门则对总长的斜拉桥进行了动力特性测试并比较了环境檄 振和传统振动试验的效果旧;挪威在土跨的斜拉桥上安装的全 自动数据采集系统己能对风、加速度、倾斜度、应变、温度、位移进行自动监 测;香港的汲水门大桥、汀九太桥、青马大桥,内地的虎门太桥、徐浦大桥、 江阴长江大桥均已安装了结构健康监测系统”。武汉理工大学的瞿伟廉教授主持 设计研究的“深圳市市民中心大屋顶网架结构健康智能监测系统”于年开始武汉理工大学博士学位论文 研究,年建成验收并投入使用,目前监测系统运行正常,正发挥着重要作 用‘引。 综上所述,为保障生命和物资财产的安全,减少重大经济损失,避免灾难 性的悲剧发生,同时也为了对旧有建筑物进行合理维修、减少维护费用,而采 取有效的技术手段及方法对现役大型复杂的土木工程结构进行健康监测以及安 全评估就显得尤为必要和迫切。其中损伤识别技术是健康监测的核心问题,是 结构安全评估的基础。因此,开展并深入研究针对土木工程结构的损伤识别技 术有着十分重大的工程及现实意义。 .国内外基于振动测试的结构损伤识别研究现状 结构损伤识别是健康监测的核心技术,也是结构健康监测系统研究的难点 之一,是当前国内外研究的热点问题【】。现代大型的结构健康监测系统必须具备 实时自动损伤识别的能力,因为损伤识别是结构安全评估的基础。结构损伤检 测的方法大体上可以分为两大类:局部法和整体法。 局部损伤检测,是指依靠成熟的无损检测技术来对某个特定的结构部件或 部位进行检测,判断是否有损伤及损伤的程度,主要用于检测结构的局部损伤。 目前常用的局部检测方法有人工目测法、染色渗透法、压痕法、回弹法、超声 波法、红外成像法、射线法、电涡流探测法、声发射法、波法、光纤传感 器法等【】。这一类技术在机械、航空航天、船舶和土木工程等领域有着广泛的 应用。但这些局部检测方法的不足之处也是很明显的:仪器设备的价格昂贵, 实验数据的解释需要专门的技术知识,难以进行长期检测;被测点必须是可 以接近的,对于那些不能接近的损伤部位,这些检测方法难以胜任;只能对 结构局部的损伤作出判断,而无法对结构整体状态作出评估;局部损伤检测 通常是由专业工程师依靠相应的设备定期或不定期对结构进行检测,因此无法 满足结构损伤检测的实时性。一个有力的例证是:在美国的姥岛大桥上,一个 工程师推测该桥的主要裂纹在被发现以前已经发展了三天。 结构整体损伤检测方法大致可分为静态试验法和基于振动测试的结构损伤 识别法。静态检测方法的测量数据较为准确、可靠,但由于工程结构一般体积 大、构件多,且常有隐蔽部分,因此,静态检测往往工作量巨大,而且只能获 得结构损伤的局部信息。结构的振动信号的测试要比静态测试容易得多,因此,武汉理工大学博士学位论文 基于振动测试的结构损伤识别方法得到了广泛的研究和发展,已经取得的很多 研究成果【】。 基于振动测试的结构损伤识别方法主要有基于固有模态频率的方法,基于 模态振型及其衍生量的方法,基于模型修正的方法,基于智能技术的方法,基 于小波分析的方法和基于变换的方法等。 ..基于固有模态频率的结构损伤识别法 结构物理特性的变化将导致结构频率的改变,这一现象直接推动了模态测 试在结构损伤识别和健康监测中的研究和应用。固有频率是模态参数中最易获 得的一个参数,而且识别精度最高。因此,人们提出基于固有频率的变化进行 结构损伤识别的方法有很多【。 年,和锄【叼首先研究了利用频率改变数据识别结构的损伤 问题,将结构损伤识别问题作为正问题来研究,认为结构的第阶频率改变量 抛 是结构局部损伤所引起的,是损伤位置刚损伤程度的函数 卜 阮,,. 对于单处微小损伤,将上式在处展开 啦鬻 对任何位置睐说,,,这样,对任何两阶频率变化比就成为只是 损伤位置的函数: ? 堕:鱼盟:办? 、 ? ? 然后考虑到结构各种可能的损伤情况,把预测频率改变率与实测频率改变 率的差值作为误差函数,通过比较误差函数的值,将最小误差对应的结构状 态 作为损伤状态。但是,这种方法只能考虑结构单一损伤或者多处发生相同程 度 损伤的情况。 等人旧在研究中发现由张开闭合裂纹引起的频率下降要比单独由张 开裂纹引起的小,这是目前许多基于观测频率变化的损伤识别方法的一个主 要 误差来源。这说明,频率的下降不单受裂纹尺寸和位置的影响,还受到预应力 和残余应力的影响。这种现象的发现有助于发展对结构裂纹敏感的结构识别方 武汉理工大学博士学位论文 法。 等人】经过推导得出频率变化的平方与损伤位置和损失程度相关,当 损伤较小时,两阶频率变化的平方比只与损伤位置有关,作者还用一钢框架试 验验证了这一结论。 等/】在和作基础上,对结构的各种损伤情况进行 数值模拟,计算出由于模拟损伤引起的结构频率变化,然后采用最乘法来 拟合模拟频率变化和实测频率改变,认为拟合误差最小的损伤情况是结构的实 际损伤情况。 等人伽对和加:的提出的方法进行了改进,使用结构的前,简称 几阶频率构造损伤定位保证 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 删 ’』全窖垫萼; 删?面秀丽磊汀 式中鲈为测量频率的变化向量,而矾为第弹元损伤后所结构频率变化向量。 的值变化范围从至,倒表示单元岿结构损伤不相关,‖ 表示单元肖结构损伤吻合。从统计学的角度来看,实际计算中某单元的删诹 值越高,该单元就越可能是损伤单元。另外,使用频率的相对改变量会使得识别 结果更精确,因为这样可以减小高阶频率绝对改变量大的影响。将式扩 展便可用于多损伤情况。在假定结构损伤只引起刚度改变而不引起质量和阻尼 等改变的情况下,当第弹元发生损伤时结构第鼢频率的灵敏度可写为 婆:?氅丝 毯【?审:孛 一一一 式中,助掸元的刚度损伤系数,舻表示单元无损伤,.,表示单元完全损伤。 假设结构频率改变可写为下列线性叠加的灵敏度方式 皑 程 ; ; /国? ?式中讷使用的频率阶数。上式给出了单元刚度改变与频率改变的关系,将该式 代入式可以得出实测频率改变的统计相关性,并可定义为多损伤定位保证武汉理工大学博士学位论文 准则冱 。夕 ???;?上???????;??一与单损伤情况类似,搜索使得取值最大的万向量即可得到最可能的 损伤状态。不过,利用该式得到的只是结构的相对损伤状态,因为乘以 一个常数后不会影响的值。要得到结构的绝对损伤状态和损伤程度,则 可利用实测的频率改变量采用一阶或二阶估计法得出。 基于频率用正问题方法来识别结构的损伤,需要将结构所有可能的损伤工 况所引起的频率变化都计算出来,即使是识别结构的单一损伤,当识别的对象 具有成百上千个单元时也会变得很困难;而对于多位置损伤的情况,损伤识别 变得更加困难,因为可能的损伤位置组合数量会出现爆炸式增长,对大型复杂 的结构尤为如此。 等人【之】提出了利用共振频率识别结构损伤的灵敏度方法,通过单元 损伤指标的灵敏度分析,使用广义逆方法进行结构损伤定位。研究表明,当观 测模态少于损伤参数时,使用灵敏度方法识别结构损伤就会出现很大的困难。 产生困难的原因在于这时系统显著地欠定,没有足够的独立信息来确定所有的 刚度降低系数,在这种情况下,使用广义逆得到的解答会变得病态。为了克服 广义逆灵敏度方法的缺陷,他们在和的工作基础上,定义了求解 损伤识别问题的一个新的误差函数,然后通过优化策略求解结构损伤识别问题, 这种方法在构件数即识别变量多于观测模态数时,能较好地克服了广义逆灵敏 度方法的缺陷,比前一种方法得到更好的识别结果。 等人【】根据提出的频率灵敏度方法研究了损伤定位的问题,讨论 了决定损伤定位的影响因素,并且研究了损伤位置与分析模态之间的关系。 】对以自振频率为基础的土木工程结构损伤识别研究做了详细的总 结,对结构损伤与频率变化之间的关系进行了讨论,指出仅依靠自振频率的变 化难以实现结构的损伤定位。 模态频率测量简单,通常只需要少数几个传感器就可以测量了,且相对于 其它的模态参数,具有最小的随机统计误差,测量精度高,故在结构损伤识别 方法的研究上具有很大的吸引力。但是,相对它的优点,它的缺点甚至还要突 出。首先,模态频率是全局量,对局部损伤并不敏感。其次是它并不提供损伤 :;喧:竺幽武汉理工大学博士学位论文 的空间信息,尤其是对称结构,在对称位置上的损伤能够引起完全相同的频率 变化。尽管结构不同位置的刚度变化会引起不同的模态频率的组合,多阶的频 率变化能够提供结构损伤的空间信息。但是,正如许多研究者指出的那样,通 常由于具有足够变化量的模态频率数量不足而无法唯一地确定损伤的位置。结 构动力学反问题中,以频率进行损伤识别的实质困难在于:由于瑞利商是能量的 比值,而能量是个积分量,结构的局部改变通常湮没在能量积分中,因而瑞利 商对刚度、质量的局部变化很不敏感,因此试图直接通过频率变化来判断结构 的局部刚度、质量改变总的来说是不太成功的。 ..基于模态振型的结构损伤识别法 相对于模态频率而言,模态振型的变化对结构损伤较为敏感,损伤的存在可 以由频率变化探测到,而确定损伤的位置则需要振型信息,这是因为虽然振型的 测量精度低于固有频率,但振型包含了更多的损伤信息【,。因此,人们利用模 态振型及其衍生量变化识别结构损伤的方法有很多。 】定义了振型、振型斜率的变化率,并将预测变化与实测变化相比较 来确定损伤的位置。提出了结构模型误差定位的结构平动和旋转误差校 验法,利用相对模态唯一的改变率来评价位于不同结构自由度之间的结构刚度 的精确程度,它能够用来比较模型测试数据和原始模型数据或者两个不同数据 集之间的不同。 ,简称 姐等人【】定义模态保证准则 ,,:?丝墼 ”彤,九,×鳐虹 式中丸,为分析模型第阶模态振型向量,丸,为实验模型莉阶模态振型向量。 最初是用来检查实验和分析模态的相关性的,如果心接近于则表明两阶模态 相关性良好,如果趋向于则表明两阶模态完全不相关。 首先利用删对结构损伤定位进行了系统的研究,使用删来确定 观测振型的数据在损伤前后的相关性水平,在振型数据分块的基础上,根据 的分块计算结果来确定损伤位置,的值趋向于的块则表明该处为可能的损 伤位置。 】用数值模拟和试验比较了两种方法由于损伤引起的试件梁的模态参 ?武汉理工大学博士学位论文 数变化。结果表明值对损伤的出现不敏感。虽然值随着损伤的加大呈 现有规律的降低,但是,由于试验和信号处理带来误差所导致的降低在某 些情况下比损伤引起的降低更为明显。 心嗽在结构的损伤位置识别中只使用了一个模态对,一个潜在的问题是如 何选择合适的模态来计算。为了克服这个问题,等人提出了坐标模态保准准 则 ,简称 生 ?彬,缘 坍 ?以,以,?以,以 , 式中彰,和以,分别为第阶分析模态和实验模态在位置的值,聊为测量模态 数。 趋近于的地方即为结构可能的损伤位置。 等人【】针对直接应用模态振型数据来识别损伤时不够敏感的问题, 提出了振型曲率法来进行结构的损伤诊断。对于梁式结构,某一截面的曲率可 以表示为 誓/口 ? 上式表明单元刚度与该处对应的截面曲率相关,刚度的下降可以明显地反映在 振型曲率的变化上,从而通过振型曲率的变化定位损伤的位置。由于模态曲率 的测量较困难,一般是由模态振型的中心差分法来间接计算 一办一谚谚一。/ 式中谚为模态振型在第个测点的值,为单元长度。文中通过简支梁的模拟损伤 分析验证了方法的有效性。等人【】在研究中发现,由模态振型进行差分 计算曲率会引起较大误差,相反,采用测试应变模态能够显著地改善损伤位置 的识别效果。 抽等人刚在青马大桥的数值仿真分析中提出如下损伤因子 一《 ? ‖ ?《一带 式中蠖桥梁测试位置,上标甜和扮别代表未损结构和损伤结构,为结构第 歹阶振型曲率,作者将此指标结合统计学的方法来识别损伤的位置。 武汉理工大学博士学位论文 袁向烈采用欧拉梁理论对简支梁的损伤进行模拟分析,结果表明,损伤 对某些阶频率、振型的影响不大,对振型曲率的影响较大。 郭国会【】也在数值仿真及实验中验证了振型曲率法的有效性。对于简支梁 的损伤识别问题,振型曲率指标要好于频率或振型指标。 【最早提出通过计算结构损伤前后的模态应变能 , 简称伽来识别结构的损伤。定义 ? 谚。,谚 ? :币; 币; 分别为结构损伤前后的第,个单元的模态应变能,上标“’’表示结构损伤,, 是 射个单元的扩阶刚度矩阵,峻是结构第阶模态振型。 结构单元模态应变能的分布与单元的刚度和单元对应的振型分量相关,如果 某单元发生损伤,那么结构损伤前后此单元模态应变能变化应该最大。基于 这 一思想,对桁架结构的损伤进行了识别,研究发现,某些杆件对某些阶振 型的值为,那么用这阶振型计算出的单元变化就无法探测这些单元的 损伤。 等人】提出以两结构自由度间以曲率定义的模态应变能下降来定位 结构损伤的方法,对梁式结构进行了损伤定位。等人【】应用模态应变能 法对 进行了损伤识别研究。和等人【?对模态应变能法 作了进一步的研究,提出了模态应变能改变和模态应变能改变率 两个损伤指标 卜 尬写一? ;一. ? 。?二??为了降低试验模态振型随机噪声的影响,可同时用多阶模态振型来定 位损 伤: ,:三争竺婴 ’ 智, 并用其识别了梁和平面玎刚架节点的损伤位置和损伤程度,对 武汉理工大学博士学位论文 结构节点的试验研究表明,该方法具有良好的识别效果。等人?】 进一步将结构单元模态应变能分解为拉压模态应变能和弯曲模态应变能,并 定 义了拉压模态应变能变化率和弯曲模态应变能变化串两个损伤识别指标,通 过 对海洋平台结构有限元模型三个典型损伤工况的数值模拟分析验证指标的有效 性。刘晖等人【】还提出了基于模态应变能耗散率法进行结构损伤识别的方法, 对梁体结构以及桁架结构均能够识别出结构的损伤位置和损伤程度,甚至在考 虑%测量噪声时仍然能够有效识别出结构的损伤。 等人【提出了结构柔度矩阵可质量归一化模态振型矽’ 表示为 ?矿羔击。谚‖ 式中矽办欢?无】,谚为第阶质量归一化振型,沈昭砰为模态特征 值矩阵。在柔度矩阵中,高阶模态所占的比例由于以的增大而迅速变小,因而 只需要少数几个低阶模态即可较准确计算出结构柔度矩阵。 等人【】计算和测量了一座桥梁的柔度,测量横截面竖向偏离量,得 出了甚至在没有基准数据的情况下通过偏离量的异常也可以识别出损伤的位置 的结论。 等人【’】提出利用损伤前后结构柔度矩阵的变化识别结构损伤的位 置,他们通过试验对这一方法进行了验证,结果表明,只需.阶振型即可识别 简支梁的损伤。 用一座桥梁的模态测试数据计算了其柔度并用于桥梁的损伤定位, 提出了一种将测量柔度作为的输入的结构损伤诊断方法。 基于柔度法,綦宝晖等人【】对平面桁架模型进行了较好的损伤识别:李国 强等人【】对弯剪型悬臂结构的损伤进行了识别;赵媛等人】与唐小兵等人刚通 过柔度曲率法对梁的损伤进行了识别。冯新【】进一步提出了损伤定位的柔度投 影法,数字模拟分析表明,该方法对于数据不完整以及数据含有噪声的情况也 具有一定的识别效果。从上面的识别结果可以看出,在基于模型的识别方法中, 对于建筑结构不易测取较高阶模态的特点,利用结构的柔度变化来识别损伤不 失为一种比较好的方法。不过董聪【】指出,因为结构中的位移是累加值,所以 某观测点位移值的改变并不一定意味着该点邻域内有损伤存在。 武汉理工大学博士学位论文 文献通过理论分析表明,基于曲率模态、应变模态和模态应变能等应变 类参数的损伤识别方法明显优于基于振型、柔度矩阵、刚度矩阵等位移类参数 的损伤识别方法,且位移类损伤识别方法在理论上则存在错误定位的问题。为 了比较各类损伤指标的性能,等人鼬】比较了曲率模态差、应变能指标、 柔度矩阵差、动测刚度改变及均载变形曲率法在桥损伤识别中的应用情况, 结果表明应交能指标识别位置最好,曲率模态振型改变次之。等人】在青 马大桥的结构损伤识别中比较了坐标模态保证准则、增强的坐标模态保证准则、 模态曲率、模态应变能及模态柔度五种损伤指标,结果表明,各种指标的适用 性和性能取决于相关的损伤类型,应根据不同的损伤类型选择不同的损伤指标。 通过比较研究,等人【删给出了一个好的损伤识别指标所需具备的一些基本 条件,】进一步概括了评价损伤识别指标的基本准则。 在实际工程结构应用和试验中发现,虽然结构频率测试较准确,但结构损 伤导致的固有频率变化很小,对局部损伤很不敏感。而振型尤其是高阶振型 虽然对局部刚度变化敏感,但由于测试噪声的影响和观测传感器数量限制等原 因,难以获得完备的精确测量值,因而限制了其在工程结构中的应用。而依赖 于模态测试振型的衍生量如振型曲率、应变模态、刎和蚴等损伤指标同 样受制于此,在实际识别中往往难以起到有效的判别作用。因此,这类方法在 实际工程中的推广应用还有待于进一步提高模态振型的测试精度和寻找新的动 力损伤指标。 ..基于模型修正的损伤识别方法 模型修正方法指以实测模态参数或者其它振动测量值和有限元模型或 结构的原始设计参数作为参考基,寻找满足特征方程或动力学方程、正交条 件、对称矩阵条件和相联性条件等,且与参考基最临近的修正过的计算模型或 修正过的结构设计参数【】。不同的模型修正方法只是在基本方程和求解方法上 有所差异,这些差异可以根据最优化目标函数、约束条件以及优化方法等几个 方面来进行分类,一般可以分为:最优矩阵修正法、灵敏度分析法、特征结构 分配法和混合浏】。...最优矩阵修正法 最优矩阵修正法的基本原理是在一定的约束条件下,直接通过优化求解某武汉理工大学博士学位论文 一目标函数来求得修正的模态参数矩阵。其具体算法有基于最小范数的拉格朗 日乘子法、最小范数摄动法【叫和基于最小秩的摄动法等】。和 等人【】建立的基于最小秩摄动理论啪 , 的损伤识别算法不是将摄动矩阵的范数定义为最小化目标函数,而是对 结构摄动矩阵的秩进行优化以寻找满足条件的秩最小的修正矩阵。【嗍 提出了一种直接修正结构单元参数矢量的最小秩算法,使用这种方法对一空间 桁架结构的损伤识别进行试验研究,结果表明,最小秩摄动法的识别结果要优 于最小范数法的识别结果。 ...灵敏度法. 灵敏度法就是利用测量参数模态频率和振型对结构参数度、质量等的 导数来计算物理参数的变化,选择那些对结构静力或动力响应特性影响较大 的 结构参数来进行修改,形成了结构有限元模型的灵敏度分析方法。 等人【】以特征值灵敏度分析为基础,提出了损伤定位保证准则 和多损伤定位保证准则仞酬。等人【】运用基于振型向量的灵敏 度分析,论述了的有效性,并指出使用不完整的实测振型就能对损伤进 行识别或明显缩小可能损伤的单元集合。等人】仅利用振型对结构参数的灵 敏度进行观测误差分析,先定义测量损伤信号姗,然后将所定义的观测损伤 信号的姗与预测的损失信号删相比较,一致则表明该单元为损伤单元, 但该方法需要假定损伤为单个单元,或多个单元损伤程度相同,最后作者通 过 一两层框架的实验验证了方法的有效性。等人】基于测试模态参数对结构 质量和刚度的灵敏度分析,建立了一种利用不确定数据识别结构的方法。 灵敏度方法的优点是可以识别出结构单元的损伤程度,缺点是灵敏度计算 量特别大。如果能够先对结构进行大致定位,再采用灵敏度方法,将会大大降 低计算量。 ...特征结构配置法 特征结构配置法的基本原理是通过合理选择虚拟控制系统中输出影响矩阵 和反馈增益矩阵,使增加虚拟控制后的结构动态特征与在结构上测得的动态 特 征一致,从而对结构的有限元模型进行修正。等人【】首先使用特征 结构配置技术研究了结构的损伤识别问题,其提出的部分特征结构算法提高了 武汉理工大学博士学位论文 模态的可分配性、保持了修正模型的稀疏性。等人【】提出了改进的部分特 征结构配置法,使之适用于观测自由度不完整条件下的损伤识别问题。结构识 别的特征结构配置法通常需要在观测自由度完备的特征向量空间上进行,不能 方便地处理观测数据不完备情况下的结构识别问题。特征结构配置法一般不能 保证刚度及阻尼扰动矩阵的对称性,破坏了实际结构特征矩阵的对称特性,其 修正的是结构整体特征矩阵,不易于进行结构模型误差或损伤的正确定位。 ...混合法 如上所述,不管是结构损伤识别的最优矩阵修正法,灵敏度法还是特征结 构配置法,都存在某些方面的不足,因此,一些学者尝试将这些方法结合起来 或将这些方法与其他方法结合起来使用,扬长避短,以提高算法的计算效率和 准确程度。 等人【】使用灵敏度分析和统计方法相结合的形式,研究了直接利用不完 整振型数据确定结构损伤位置的问题,发展了可直接使用不完整振型数据的多 损伤定位保证准。损伤识别过程分两步:首先由不完整振型的 确定结构的损伤位置,然后利用频率灵敏度确定损伤部位的损伤程度。等人 】提出了有限观测条件下大型结构的两步损伤识别法。首先使用最优矩阵修正 法识别出结构可能发生损伤的位置,然后使用灵敏度分析确定结构单元的准确 损伤位置。冯新【】将结构损伤定位的柔度投影法和基于观测柔度阵的部分特征 结构识别模型结合,建立了数据误差条件下的结构损伤识别方法。此外,由于 依赖于荷载的 量比传统的模态振型向量对损伤更为敏感,等人’】 利用向量,应用模型修正方法进行了结构损伤识别研究。 ..基于计算智能技术的损伤识别方法 近几十年来,随着电子技术的的迅速发展,各种计算智能技术,如神经网 络、遗传算法、蚁群算法、粒子群算法和模糊技术等发展迅速,被广泛应用到 国民经济的各个领域。与传统的结构损伤检测方法相比,神经网络诊断方法在 知识获取、并行推理、适应性学习、联想推理、容错能力等方面都具有相对的 优越性,因此,神经网络在结构损伤诊断的应用方面得到了广泛的研究。基于 模型修正的损伤识别方法实质上是一个约束优化问题,而遗传算法具有良好的 全局寻优能力,可以很好的解决这类损伤识别问题,因而得到了一定程度的应 武汉理工大学博士学位论文 用。 ...神经网络 人工神经网络最初是模拟人脑中央神经系统而形成的神经结构,其工作方 式相当于一黑箱,不受独立模型的限制,并能自适应地通过学习来捕获重要数 据,是强有力的分类器和识别器,它的计算能力被应用于预测估计、模式识别、 ’ 优化设计等众多领域。 神经网络用于损伤识别的基本方法是:根据结构在不同状态不同损伤位置 的不同损伤程度的反应,通过特征提取,选择对结构损伤较敏感的指标作为网 络的输入向量,结构的损伤状态作为输出,建立损伤分类训练样本集,然后对 网络进行训练,网络训练完毕后即具备了损伤识别功能,将结构损伤状态的实 测信息输入网络,即可迅速确定结构的损伤【】。 等人【】将结构损伤定义为单元刚度下降,运用网络对地震激励下的三 层平面框架进行研究,根据结构损伤前后的频响函数来训练网络,并应用训练 好的神经网络,从实测的结构响应中识别损伤。 等人【】通过网络映射刚度变化与节点时程的关系来识别桁架桥梁 的损伤。作者将桥梁结构模型简化为受匀速移动载荷作用的桁架结构,将节点 响应时程作为神经网络的输入来识别桥梁结构损伤。 等人’以时域信号相对位移和速度作为网络输入,来检测结构的 损伤程度,并认为训练后的网络抗噪声能力强,并进一步基于非线性系统识别 技术,利用神经网络进行结构损伤识别。 等人【】用实际地震响应记录来训练和验证神经网络,探索了神经网络 在结构动态模型识别方面的潜力。 陆秋海等人【】将模态试验提取的固有频率、位移模态、位移频响函数、模 态曲率、应变模态和应变频响函数等种损伤识别指标作为神经网络的输入,研 究了其对损伤的敏感性,悬臂梁的试验结果表明应变模态的灵敏度最高。 王柏生等人分析了模型参数误差对用神经网络进行结构损伤识别的影 响,并利用分类能力较强的概率神经网络来识别框架结构的损伤位置。 姜绍飞等人【】用传统概率神经网络和自适应概率神经网络对青马悬索桥的 损伤定位进行了研究,结果表明自适应概率神经网络不仅性能优于传统概率神 经网络,而且进行特征向量简化时,可以提高损伤定位的识别精度。 武汉理工大学博士学位论文 瞿伟廉等人【盯】提出了基于神经网络技术的复杂框架结构损伤两步诊断方 法。此方法先将结构划分为珂个子区域,将损伤引起的结构前,阶模态频率变化 比与损伤区域的关系输入概率神经网络,建立系统,进行损伤子区域判定;然 后将结构损伤子区域内第二阶杆端应变模态变化量与节点损伤位置和损伤程度 的关系输入径向基神经网络,建立系统,进行损伤位置和损伤程度具体诊断。 数值仿真分析结果表明,此方法可对多层及高层框架结构的地震节点损伤做出 成功诊断,且具有较好的抗干扰能力。 基于神经网络的损伤识别方法的有效性很大程度上取决于训练样本数据库 的完整性。当训练样本数据库没有完全包括所有的损伤模式时,识别的结果不 可能完全可靠,尤其是需要外推的损伤模式,神经网络的识别效果较差,而对 于大型复杂的土木工程结构而言,存在样本组合爆炸的情况,各种损伤状态不 可能完全通过试验获取,只能通过有限元数值模拟得到,有限元模型的精度在 很大程度上影响损伤识别的效果。正是由于这些问题的存在,制约了神经网络 在结构损伤识别中的应用,因而在实际的大型土木工程中成功应用的例子并不 多见。 ...遗传算法 遗传算法作为一种优化方法,可以同时对搜索空间中的多个解进行评估, 具有并行搜索能力和全局搜索性能,搜索效率高,能够很好地应用于结构损伤 识别领域。国内外一些学者利用遗传算法进行了结构的损伤识别和诊断研究。 等人【】首先将遗传算法引入结构的损伤识别研究,以残余力向量构造 了遗传算法的目标函数,以结构单元刚度折减因子为优化变量,使用基于二进 制编码 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的遗传算法,对一桁架结构的损伤进行数值仿真分析,结果表明遗 传算法可以同时识别结构的损伤位置和损伤程度。 易伟建等人【】将遗传算法应用于混凝土梁的损伤诊断。为了让遗传算法更 适用于结构工程损伤诊断领域,提出了多父体变量杂交和变换实数编码的变量 微调等遗传算法改进措施,获得了较好的识别结果。 等人【】结合遗传算法建立了一种损伤识别的两阶段方法。首先使用 模态残余力确定结构损伤的可能位置,其次使用遗传算法优化搜索确定可能损 伤位置的实际损伤状态。等人【】利用少数测试节点的静力位移计算值和实 测值的差值构造了遗传算法的目标函数,并通过一五跨桁架桥模型的数值模 型武汉理工大学博士学位论文 验证了方法的有效性。等人【】系统研究了遗传算法在有限元模型修正和 损伤诊断中的应用。等人畔】将损伤模拟为单元刚度的下降,基于模态频率 和振型建立了残余力和唯两个目标函数,运用遗传算法优化搜索得到结构 的损伤位置和程度,并通过简支梁的数值模拟和试验研究验证了方法的有效性。 郭惠勇等人【】将遗传算法和数据融合技术结合,提出了二阶段损伤识别方 法。首先利用基于频率的多损伤定位准则和基于位移模态的多损伤定位准则分 别计算出有关损伤的初步决策,然后利用信息融合技术将两者的初步决策进行 融合从而获得较为精确的损伤位置估计,最后对可能损伤的单元利用遗传算法 进行更精确的损伤位置和程度估计。悬臂梁的数值模拟仿真结果表明该方法精 确的识别了结构的损伤位置和损伤程度,优于简单的遗传算法。 邹大力等人【】提出一种基于修正测试模态的损伤识别方法,即将基于测试 频率和修正后的测试振型组成的函数作为优化目标,由具有鲁棒性及易于处理 非确定性信息能力的遗传算法和局部搜索算法组成的混合遗传算法作为优化工 具。基于桁架的分析结果表明,即使在测试数据包含误差的情况下,采用该方 法也能获得满意的识别结果。 由于基于二进制编码的遗传算法搜索空间很大,当变量较多时优化效率不 高,甚至有可能无法收敛到最优解。与文献【一样,袁颖【】以残余力向量构造 了遗传算法的目标函数,对基于浮点数编码方案的遗传算法的选择、交叉、变 异等遗传操作进行改进,对同样的桁架结构的损伤进行优化识别,得到的识别 结果比文献中更加精确。 基于遗传算法的结构损伤识别的有效性很大程度上取决于所构造的目标函 数和算法的稳定性,目标函数的鲁棒性好和抗噪性强,能够在很大程度上改善 结构损伤识别的效果。 ..基于小波变换的结构损伤识别方法 小波分析是一种新的数学分析和信号处理工具,可以对平稳信号和非稳态 信号进行详细的时频分析,它无需激励信号,仅基于结构的输出响应,且具有 较强的抗噪能力。它具有多分辨率分析的特点,而且在时频域都具有表征信号 局部特征的能力,很适合探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并显示其成分, 而信号中的突变信号往往对应着结构的损伤,利用连续小波变换进行系统故障 检测与诊断具有良好的效果。小波分析已广泛应用于土木、机械和航空工程领 武汉理工大学博士学位论文 域中,特别是在结构损伤识别和健康监测中的应用尤为突出。 等人【】对近几十年来小波分析在结构和机械系统损伤诊断和健康监测 中的应用情况进行了综述。文中将基于小波的损伤诊断方法分为三类:基于小 波系数变化的方法;基于小波系数在空间域中局部突变的方法;基于局部 损伤引起反射波变化的方法。第一种方法通常用于诊断损伤的存在和定性分析 损伤的程度,结构损伤的存在将会导致结构系统响应的变化,从而对相应的小 波系数产生变化;第二种方法常用于定位结构的损伤位置,包括诊断裂纹处小 波系数的奇异性;第三种方法用于诊断损伤的程度和损伤位置。 .等人【,】采用小波分析方法进行结构损伤识别,主要研究目标是 发展一种识别结构损伤变化的在线系统,以确保结构在恶劣环境荷载下的安全 性。等人】根据小波变化检测奇异性的能力诊断结构的损伤,采用连 续小波变换和离散小波变换分别对两端固定梁在冲击激励下和静态荷载下未出 现裂纹和出现裂纹两种情况下梁的挠度进行分析,挠度曲线和静力荷载作用 下 结构的变形曲线直观上都是光滑的曲线,但用小波在小尺度高频下可明显地看 到一个极大的模值,由突变的模极大值可判断裂纹的位置。等人提出了 应用小波分析对标准结构的损伤时间和损伤位置进行诊断的方法。当结构 刚度突然降低,则加速度响应的小波高频细节部分由于存在奇异点,在刚度降 低的时刻会出现一个“尖峰,因此,由尖峰的位置可判断损伤发生的时 刻,而根据尖峰的空间分布可判断损伤发生的位置所在的楼层。 由于小波变换只对低频信号进行分解,因而高频部分的频率分辨率较低, 而小波包变换同时对信号的低频和高频部分进行分解,具有更高的时频分辨率。 等人【】利用小波包变换代替小波变换对结构测量信号进行分析,提出了基 于小波包分量能损伤指标,并结合神经网络进行了损伤识别研究。文中以一个 三跨桥梁模型为例演示了所提出的方法,识别了结构的损伤位置和损伤程度。 等人进一步提出了用于损伤识别的小波包能量变化率指标,并对其适用 性进行了数值模拟和试验研究,结果表明该指标可以准确地识别结构的损伤位 置。 等人】通过小波变换可以预沏指数的特性将二者结合起来进 行损伤程度的估计。作者由小波变换模的最大值判断损伤位置,根据损伤位置 处小波变换的模计算指数,指数的大小判断损伤程度。任宜春 等人应用小波变换和指数,进一步研究了移动荷载作用下梁裂纹的损武汉理工大学博士学位论文 伤位置和损伤程度识别,同时讨论了荷载移动速度和裂缝位置对指数的 影响情况。移动荷载作用下的跨中响应用、波进行连续小波变换,从 小波系数的模极大值点得到荷载经过裂缝的时间,从而识别裂缝位置,并利用 模极大值处的指数判断裂缝深度。 孙增寿等人【】对基于小波分析和小波包分析的结构损伤识别研究进行了综 述,对小波及小波包分析理论及其在结构损伤识别、损伤定位和损伤程度确定 中的成功应用,以及尚存在的一些问题进行了总结。 ..基于变换的结构识别方法 ,简称是由美国宇航局 .变换. 的黄愕博士. .年提出的一种全新的数据处理方 法,由经验模态分解 ,简称及变换两 部分组成,其基本思想是将时间序列通过经验模态分解成有限个固有模态函数 ,简称阍之和,然后利用变换构造解析信号, 得出时间序列的瞬时频率和振幅,进而得到谱【。与建立在先验性谐波 基函数和小波基函数上的分解与小波分解不同,分解是依赖数据本 身的时间尺度特征来进行的,及小波分析更适合于处理非平稳数据。 等?将.变换结合带通滤波技术系统地研究了具有良 好模态分离特性的线性多自由度结构系统的参数识别问题,提出了识别结构的 实、复模态参数频率、振型、阻尼和物理参数质量、刚度、阻尼矩阵的方法。 根据加速度响应的幅值谱采用带通滤波器对结构响应进行滤波,再用 方法将各个模态振动响应分离出来,由分离出的模态响应识别模态参数。 对比分析基于小波变换的参数识别结果表明,由于基本小波函数的尺度限制导 致较差的频率分辨率,因而基于捌盯方法的识别结果要优于基于小波变换的识 别结果。 陈隽等人【】将刎:玎方法应用于实际的青马大桥参数识别中。由实测的动力 响应记录,用方法得到响应的模态分量;对相应于结构模态响应的分量采 用随机减量技术尬力得到自由衰减响应,再利用变换识别出结构的模态 和阻尼参数。此外,陈隽等人更进一步地研究了聊叮方法在密集模态结构 中模态参数的识别方法,采用带间歇检验 分离密集模态响应, 利用变换识别出了结构的自振频率和阻尼比,比较基于变换的半功 武汉理工大学博士学位论文 率带宽法识别出的阻尼比值,基于翩哪勺方法更接近于实际值。 何旭辉等人【】结合南京长江大桥结构健康监测信号,提出将与冗嘲 结合进行结构模态参数识别的方法。对于环境随机激励,经分解后的结构 模态响应,实际上由自由振动响应和外荷载引起的强迫振动响应两部分组成, 可应用肋隅到对应模态的自由振动响应,从而识别结构的频率及阻尼。通过与 有限元及谱分析结果相比较,证明了将与啪结合的方法识别非平稳振 动信号模态参数的有效性和合理性,适合于大型桥梁结构的模态参数识别; 等人】将刎打方法应用到实际台风荷载作用下深圳地王大厦的模态参 数识别中。首先利用分解出信号中的,在分解过程中加入截止频率 防止发生频率混叠现象,然后用从单个内在模态分 量中提取出自由振动模态响应,进而用变换识别出参数。与基于 变换的半功率带宽法识别出的阻尼比相比。本方法识别出的阻尼比偏小,而基 于变换的方法识别出的阻尼比偏大。 黄天立?】通过数值模拟分析研究了刷打变换中剧泐所得的正交性,指 出其存在不正交的问题,提出了用正交化经验模态分解方法予以改进,获得了 完全正交且满足固有模态函数要求的:护分量,完善.变换方法, 并用 地震波的正交化处理结果验证了方法的正确性和有效性。针对爿:胛 方法在密频模态参数识别方面的不足,提出了基于波组信号分解和正交 捌町方法结合的改进明玎模态参数识别方法,在数值算例中获得了准确的识别 结果。研究了基于捌打变换的多自由度非线性结构系统识别方法,提出通过脚 方法分解结构自由振动响应获得删量,并以其代替结构的非线性模态进行基 于变换的瞬时特征参数识别的思路,进而由各瞬时特征参数间的关系识别 非线性结构的类型,并用一个具有非线性刚度的两自由度剪切型建筑结构的数 值算例验证了方法的正确性。 除了上述小波变换和.变换以外,常应用于振动信号分析的其它 时频分析方法有短时破换、变换、分布以及 类时频分布等方澍】。 .本文主要研究工作 结构健康监测技术是土木工程研究的热点领域,而健康监测的核心内容之 一是结构的损伤识别问题,尤其是在线损伤识别问题。尽管经过多年的研究, 武汉理工大学博士学位论文 国内外已经提出了很多结构损伤识别的方法,其中一些方法在数值仿真和在实 验室试验中取得了很