（道路與鐵道工程專業(yè)論文）懸索橋損傷指標的適用性分析.pdf

中文摘要 摘要 在諸如懸索橋這樣的復雜結構的健康監(jiān)測與診斷中 傳感器的布設方案和損 傷指標體系的選擇直接影響著損傷識別的效果 國內(nèi)外學者在相關領域進行了大 量研究并取得了一定成果 但是由于結構的健康診斷與損傷識別問題的復雜性 目前的研究成果僅僅是初步的 仍存在大量的理論與實際問題有待深入研究 與大量的結構自由度相比 監(jiān)測和測量系統(tǒng)的傳感器數(shù)量是十分有限的 因 此對大型復雜結構響應的測量一般都是不完備的 這將導致結構識別結果的不唯 一性 n y 結構工況的復雜性和工作環(huán)境的隨機性 合理地布設傳感器和恰當?shù)?選用健康狀態(tài)指標對于懸索橋結構的健康診斷是十分重要的 傳感器布設與健康狀態(tài)指標的選擇是密切相關的 目前 根據(jù)所用數(shù)據(jù)的類 型將損傷指標大致分為兩大類 基于靜態(tài)特性的損傷指標和基于動態(tài)特性的損傷指 標 懸索橋是一個由多種材料 不同構件組成的復雜體系 不同部位的損傷對各 個指標的影響也是不同的 單一的指標很難識別出懸索橋所有部位的損傷 為此 本文通過a n s y s 建立起的有限元模型進行數(shù)值模擬 著重分析了在無噪聲情況下 頻率改變比 模態(tài)曲率差 靜態(tài)應變差指標對吊索 主梁 和主纜三種常見損傷 類型的識別效果 提出了將頻率改變比 模態(tài)曲率差 靜態(tài)應變差指標組成的指 標體系來識別懸索橋的損傷 根據(jù)上述三個指標自身的特點提出了一組針對懸索橋的簡單易行的傳感器布 設方法 詳細論述了懸索橋檢測時應變 頻率 模態(tài)曲率的測點布置情況 應變 測點根據(jù)應變分布圖來進行布置 頻率則是依據(jù)動能最大原理來布設 模態(tài)曲率 測量則是采用逐步累加法利用m a c 矩陣來評價測點形成的振型的正交性 在懸索橋整橋試驗模型上對懸索橋可能的損傷情況進行了試驗模擬 提取結 構損傷前后的頻率改變比為輸入數(shù)據(jù) 應用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對損傷區(qū)域定位進行了 試驗研究 結果表明除主纜損傷不能定位外 吊索損傷和主梁損傷具有較好的定 位效果 頻率改變比對模型懸索橋結構定位的可行性為實際工程的損傷檢測提供 了很大的幫助 關鍵詞 懸索橋 損傷識別 傳感器布設 損傷模擬 英文摘要 t h e a p p l i c a b i l i t yo f d i f f e r e n ti n d i c e sf o rd a m a g ei d e n t i f i c a t i o no f s u s p e n s i o nb r i d g e s a b s t r a c t t h ep l a c e m e n to fs e n s o r sa n dt h es e l e c t i o no fi n d e xs y s t e mc a l lg r e a t l ya f f e c tt h e i d e n t i l y i n gr e s u l t si nt h eh e a l t hm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i so fc o m p l e xs t r u c t u r e ss u c h 勰 s u s p e n s i o nb r i d g e s i nt h er e s e n ty e a r st h es c h o l a r sh a v ed o n eag r e a td e a lo fr e s e r c h a n d g o tas e r i e so fa c h i e v e m e n ti nt h et w of i e l d s b u tb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t i o no f h e a l t hd i a g n o s i sa n dd a m a g ed e t e c t i o n t h ea c h e i v e m e n ti sj n s tp r i m a r ya n dt h e r ea r e a l s om a n yt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lp r o b l e m st ob es t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h ed o f so ft h es t r u c t u r e s t h en u m b e ro fs e n s o r si nm o n i t o r i n g a n dd i a g n o s i ss y s t e mi sf i n i t e t h u st h em e a s u r e m e n to fs t r u c t u r e s r e s p o n s ei sa l s o i n c o m p l e t e t h e r e f o r ei t si m p o s s i b l et of i n dad e c i d e da n dd o u b t l e s sa n s w e rf o rt h e d e t e c t i o n c o n s i d e r i n gt h ec o m p l i c a c yo f d a m a g ec a s e sa n dt h eu n c e r t a i n t yo f w o r k i n g e n v i r o n m e n li t si m p o r t a n tt oa d o p tr e a s o n a b l es e n s o r s c o n f i g u r a t i o na n ds e l e c tf i t h e a l t h ys t a t ei n d i c e si ns u s p e n s i o n s h e a l t hd i a g n o s i s t h e c o n f i g u r a t i o no f s e n s o r sa n dt h es e l e c t i o no fi n d i c e si sq u i t ec o r r e l a t e di nt h e d a m a g e sd e t e c t i o n a tt h ep r e s e n tt h ei n d i c e sa r eg e n e r a l l yg r o u p e di n t ot w ot y p e sb y t h ed a t as o u r c e t h ei n d i c e sb a s e do nt h es t a t i cd a t aa n dt h ei n d i c e sb a s e do nt h e d y n a m i cd a t a t h es u s p e n s i o nb r i d g ei sac o m p l e xs y s t e mc o n s t i t u t i n gm u l t i m a t e r i a l s a n dd i f f e r e n tc o m p o n e n t s t h ed a m a g e si nd i f f e r e n tp o s i t i o n sh a v ed i f f e r e n te f f e c to n t h ei n d i c e s i t sd i f f i c u l tt oi d e n t i f ya l lt y p e so fd a m a g e su s i n gs i n g l ei n d e x t h i s p a p e rp r e s e n t sac o m p a r a t i v es t u d yo ft h ea p p l i c a b i l 時o ff r e q u e n c yc h a n g e sr a t i o i n d e x m o d a lc u r v a t u r ed i f f e r e n c ei n d e xa n ds t a t i cs t r a i nd i f f e r e n c ei n d e xf o rt h et h r e e c o m r n o nd a m a g et y p e si nt h es u s p e n s i o nb r i d g e s g i r d e rd a m a g e h a n g e rd a m a g ea n d c a b l ed a m a g e i nt h ea b s e n c eo fn o i s eb a s e do nf i n i t ee l e m e n tm o d e lm o d e l e db y a n s y ss o f t w a r e f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sap r a c t i c a ld a m a g ed e t e c t i o n m e t h o d o l o g yo fs u s p e n s i o nb r i d g e si sp r o p o s e di nt h i sp a p e rb yc o m b i n a t i o nu s a g eo f t h o s et h r e ei n d i c e s 英文摘要 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et h r e ei n d i c e st h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r da s i m p l ea n de a s ys e i i s o l 3 p l a c e m e n tm e t h o da n d 畫v e nad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h e d i s p o s i n go ft h em e a s u r i n gp o i n t sw h e nd e t e c t i n gs t a t i cs t l a i n f r e q u e n c ya n dm o d a l e n r v a t a r e s e n s o rp l a c e m e n tf o rs t a t i cs t r a i nr e l i e so nt h es t a t i cs t r a i nd i s t r i b u t i o n w h i l em a x i m u mk i n e t i ce n e r g yc r i t e r i o ni sa d o p t e dt od e t e r m i n et h es e q t l s o rl o c a t i o n s f o rf r e q u e n c y w h e nl o c a t i n gs e n s o r so fm o d a lc u r v a t u r e s u c c e s s i v ea d d i t i o n a p p r o a c hi si n t r o d u c e da n d m a cm a t r i xi su s e dt oe v a l u a t en o n l i n e a ro fs i n g u l a r v e c t o r s d a m a g e sa r es i m u l a t e di nt h es u s p e n s i o nb r i d g em o d e la n dt h e nn e u r a ln e t w o r k s a r eu s e dt od e t e c td a m a g er e g i o n su s i n gf r e q u e n c yc h a n g e sr a t i oa si n p u tp a r a m e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t hn e t w o r k sc a ng i v eas a t i s f a c t o r yr e s u ko np o s i t i o n i n g g i r d e rd a m a g e sa n dh a n g e rd a m a g e sb e s i d e sc a b l ed a m a g e s t h ef e a s i b i l i t yo f i d e n t i f y i n gd a m a g e so fs u s p e n s i o nb r i d g em o d e lb yf r e q u e n c yd i f f e r e n c er a t i oi n d e x i nt h i sp a p e rg i v e sag r e a th e l pt ot h ep r a c t i c a ld a m a g ed e t e c t i o n k e yw o r d s s u s p e n s i o nb r i d g e d a m a g ed e t e c t i o n s e n s o r s p l a c e m e n t d a m a g es i m u l a t i o n 大連海事大學學位論文原倉4 性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文是在導師的指導下 獨立進行研究工作所取得的成果 撰寫成博士 碩士學位論文 晝?nèi)芑e指拯的適旦絲筮扳 除論文中已經(jīng) 注明引用的內(nèi)容外 對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明 確方式標明 本論文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表 或未公開發(fā)表的成果 本聲明的法律責任由本人承擔 論文作者簽名 機暢蟲壓卅年 月i 陽 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及指導教師完全了解 大連海事大學研究生學位論文提交 版權使用管理辦法 同意大連海事大學保留并向國家有關部門或機構送交學位 論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權大連海事大學可以將 本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 也可采用影印 縮印或 掃描等復制手段保存和匯編學位論文 保密口 在年解密后適用本授權書 本學位論文屬于 保密口 不保密彳 請在以上方框內(nèi)打 鬻特莖葛籮 日期 研年孓月鸛日 懸索橋損傷指標的適用性分析 第1 章緒論 1 1 課題背景 隨著科技的進步 經(jīng)濟的發(fā)展及社會的需求 現(xiàn)代的工程結構正朝著高層次 大型 化方向發(fā)展 尤其是進入了2 1 世紀以后 大型橋梁結構 懸索橋更是如雨后春筍般不 斷的涌現(xiàn)出來 迄今為止已建成的懸索橋有明石海峽大橋 日本 金門大橋 美國 青馬大橋 中國香港 江陰長江大橋 中國 等 l 懸索橋結構在復雜的服役環(huán)境中 設計載荷的作用 材料的老化及各種突發(fā)性外在 因素 風 地震 的影響使得結構的損傷不可避免并且不斷地積累 這些損傷輕則影響懸 索橋的使用性能 重則引起結構的破壞 給人們的生命和財產(chǎn)帶來損失 所以利用結構損 傷檢測的理論和方法 建立結構損傷識別系統(tǒng) 及早的對結構進行在線監(jiān)測和損傷檢測 對結構的安全可靠性及結構的剩余壽命進行科學 準確的評估具有重要的科學意義和很 強的工程實際應用背景 近年來 大型橋梁健康監(jiān)測技術已經(jīng)成為國內(nèi)外學術界和工程界研究的熱點 國內(nèi)外 許多橋梁現(xiàn)已安裝了不同規(guī)模的健康監(jiān)測系統(tǒng) 英國連續(xù)鋼箱梁橋f o y l e 橋上布設的傳 感器系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的監(jiān)測系統(tǒng)之一 丹麥曾對總長1 7 2 6 m 的f a r o e 跨海斜 拉大橋進行施工階段及通車首年的監(jiān)測 旨在檢查關鍵的設計參數(shù) 監(jiān)測施工危險階段以 及獲取開發(fā)優(yōu)化的監(jiān)控維護系統(tǒng)所必需的橋梁健康記錄 另外他們在主跨1 6 2 4 m 的 g r e a tb e l te a s t 懸索橋上已開始嘗試把極端記錄與正常記錄分開處理的技術以期減小數(shù) r 據(jù)存量t z 挪威在主跨5 3 0 m 的s k a r n s u n d e t 斜拉橋上所安裝的全自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已能 對風 加速度 傾斜度 應變 溫度 位移進行自動監(jiān)測 j j 我國自9 0 年代起也在 一些大型重要橋梁上安裝了監(jiān)測系統(tǒng) 如香港的青馬大橋 4 j 汲水門大橋和汀九大橋 內(nèi)地的上海徐浦大橋以及江陰長江大橋等 為了有效實現(xiàn)健康監(jiān)測的目標 一般必須利用由傳感器和計算機系統(tǒng)構成的結構健 康監(jiān)測系統(tǒng)對結構進行長期的在線監(jiān)測 并有效利用監(jiān)測信息反演結構的狀態(tài) 識別結構 中的損傷 結構健康監(jiān)測的效果主要取決于以下兩個方面 技術上而言 主要是先進傳 第1 章緒論 感器的優(yōu)化布設和信息的高效傳輸 理論上而言 主要是結構識別理論和狀態(tài)評估理論 的發(fā)展 傳感器的類型 位置和數(shù)量對試驗結果起決定作用 由于客觀因素的制約 傳感器 的數(shù)量總是有限的 如何安排有限數(shù)量的傳感器從噪聲信號中實現(xiàn)對結構狀態(tài)信息的最 優(yōu)采集是懸索橋健康監(jiān)測的關鍵技術之一 損傷識別一直是結構健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的關 鍵 它更注重于根據(jù)傳感器提供的信息 定義損傷指標以評估其程度 經(jīng)過多年的理論 研究與實際應用國內(nèi)外學者己在這兩個領域取得了一系列的研究成果 但是由于結構的 健康診斷與損傷識別問題的復雜性 目前的研究成果僅僅是初步的 還有大量的理論與 實際問題有待深入研究 損傷指標的選擇與傳感器的布設之間是密切相關的 一方面 結構健康監(jiān)測為結構識 別過程提供了結構在實際服役條件下的結構響應實測信息 另一方面 結構識別得到結構 的準確響應特征和模型 為結構健康監(jiān)測和損傷監(jiān)測提供了基礎 但是 理論上而言 根 據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)識別其結構健康狀態(tài)和可能的結構損傷是一個復雜結構體系在不完 善條件下的反問題 本身就很難得到確定性的惟一解答 再考慮到大型橋梁結構在結構 構造 工作環(huán)境等方面的復雜性與不確定性 大型結構的健康狀態(tài)與損傷識別確實是一 個復雜的過程 因此根據(jù)兩者之間的關系將傳感器布設方案與損傷識別指標結合起來是 一個值得進行研究的科研內(nèi)容 本課題旨在探索出一組簡單適用的懸索橋識別指標并根 據(jù)此指標確定傳感器布設方案 最大限度的獲取結構信息進行損傷識別 為實際工程中 的懸索橋檢測提供一定的參考資料 1 2 損傷識別指標的研究現(xiàn)狀 對結構進行損傷識別 是近幾十年來隨著土木工程研究理論的發(fā)展而不斷成熟的一 門新興研究領域 它的主要內(nèi)容包括對結構體系中是否出現(xiàn)損傷進行判別及對已經(jīng)出現(xiàn) 的損傷定位和對損傷程度進行有效的度量 即通過對結構進行檢測 以確定結構是否有 損傷存在 進而判別損傷程度和定位 以及結構目前的狀況 使用功能和結構損傷的變 化趨勢 對由損傷引起的結構使用風險進行評估 總的來說結構損傷診斷主要包括三方面的內(nèi)容 1 結構損傷識別 也就是結構 2 懸索橋損傷指標的適用性分析 是否發(fā)生損傷 屬于損傷的定性判斷 損傷識別是進行結構故障診斷的基礎 目前國際 上關于結構故障診斷的研究多集中在損傷識別的層次上 2 結構損傷定位 即結構 損傷位置的判斷 屬于損傷的定位判斷 損傷定位是進行結構故障診斷的核心 也是問 題的難點所在 3 結構損傷程度的標定和評價 即損傷的定量判斷 結構損傷程度 的標定和評價常常是對工程結構進行故障診斷的目的所在 因為結構損傷程度的標定和 評價是進行結構完整性評定及實施維修決策的基礎 從邏輯上講 要進行損傷識別和定位 首先需要解決的是損傷標識量的選擇問題 即決定以哪些物理量為依據(jù)能夠更好地識別和標定損傷的位置和程度 目前 用于損傷 定位的指標根據(jù)所使用數(shù)據(jù)的類別不同而大致分為兩大類 基于靜態(tài)特性的損傷指標和 基于動態(tài)特性的損傷指標 在基于結構動態(tài)特性的損傷識別研究中 常用的指標包括結 構頻晌函數(shù) 固有頻率變化比 模態(tài)振型差 模態(tài)振型曲率 坐標模態(tài)保證準則等 在 基于結構靜態(tài)特性中 常用的指標包括應力差 應變差 剛度差等 以下僅對結構損傷 檢測常用敏感參數(shù)的研究情況進行簡單的介紹 1 2 1 基于固有頻率變化的損傷識別技術 利用動力學方法進行結構的損傷識別是當前研究的熱點 其中基于固有頻率的損傷 識別方法得到了廣泛的研究 這主要是由于固有頻率測量簡單 分析方法成熟 受噪聲 影響較小 精度較高 能夠很好的識別結構的整體損傷 因此實際工程上也有比較成功 的應用 5 尤其是當有些結構形狀較為復雜 有些位置不適合布置測試點時 頻率法的 優(yōu)勢就更為顯著 因為相對于其他方法頻率法需要的測點較少 一般來說只需要一兩個 測點就可以得到結構多階固有頻率嘲 但是該方法也有很大的局限性 不同形式的結構損傷可能產(chǎn)生相似的頻率變化特 性 通過頻率反推損傷位置得出的結果不具備唯一性 某些構件的局部損傷對整體頻率 的影響極其有限 特別是當結構發(fā)生較小的損傷時難以據(jù)此判別結構的損傷存在 此方 法還無法識別對稱結構對稱位置的損傷 也無法判斷多損傷的發(fā)生 所以需要借助其他 的損傷識別方法進行進一步的識別 第1 章緒論 a d a m s l 1 和c a w l c y 7 提出了僅用測量的固有頻率進行損傷評估的方法 其原理是在 單一損傷的情況下某兩階頻率改變量的比值僅是損傷位置的函數(shù)而于損傷程度無關 根據(jù)這個結論 c a w l e y 和a d a m s 進而提出僅利用 頻率變化比 檢測結構損傷 p e n n y 等 8 改進了c a w l e y a d a m s 提出的方法 用統(tǒng)計分析來識別最可能的損傷位置 s a l w u 9 評述了土木工程領域應用固有頻率作為診斷參數(shù)的結構評估方法 對結構損傷與頻率變 化之間的關系和那些限制振動監(jiān)測在損傷檢測和結構評估中成功應用的可能因素均進 行了討論 薛松濤等 l 卅提出一種二階頻率靈敏度分析方法 通過測量結構損傷前后頻率 變化的損傷參數(shù)識別方法來確定結構的損傷位置和損傷程度 對于層問剪切結構模型 可以測得結構的各階頻率 并對多種工況進行了框架結構模型的振動試驗 試驗結果表 明 對于層間剪切結構 通過測量結構頻率變化可以確定結構的損傷位置和損傷程度 1 2 2 基于模態(tài)曲率變化的損傷識別技術 當結構發(fā)生損傷時 損傷處的局部剛度降低從而使曲率值增大 因此可以利用損傷 前后的模態(tài)曲率的變化來識別結構的損傷 曲率是位移的2 階導數(shù) 利用模態(tài)曲率來識 別損傷比其他分析方法更為敏感 且只需要少數(shù)低階模態(tài)振型即可 測試精度容易保證 由于其在結構損傷檢測及損傷定位中的優(yōu)越性 現(xiàn)已能成功的應用于梁式結構和剛架結 構的損傷識別中i 但需要注意的是 模態(tài)曲率是由模態(tài)位移差分所得到的 所以要 求布置較多的測點 以便利用中心差分法求取模態(tài)曲率 布置的測點越多 間距越小 精 度就越高 否則將增大模態(tài)曲率振型的誤差 另外噪聲對模態(tài)曲率的影響也很大 當模 態(tài)位移噪聲大于1 后就不能把損傷位置檢測出來 j 珥j 由于現(xiàn)有檢測條件的限制 目前 應用模態(tài)曲率方法進行實際橋梁結構的損傷評估仍停留在基礎研究階段 1 2 3 基于模態(tài)阻尼比變化的損傷識別技術 模態(tài)阻尼比也是結構的固有屬性之一 結構的損傷也會引起阻尼比的變化 2 0 世紀 6 0 年代 在金屬結構的動力實驗中人們發(fā)現(xiàn)損傷將導致結構的模態(tài)阻尼比發(fā)生顯著變 化 8 0 年代中期以來 在樹脂基玻璃纖維和碳纖維復合材料層板的動力實驗中 以及在 鋼筋混凝土結構的動力實驗中 人們也都觀察到了同樣的現(xiàn)象 因此 一些研究者建議 4 懸索橋損傷指標的適用性分析 可以用模態(tài)阻尼比f 的變化作為結構的損傷標識指標 基于模態(tài)阻尼比變化的結構損傷 識別方法尚未流行 其中的一個主要原因 是模態(tài)阻尼比f 的測試信噪比口 f 彤目 前還不夠高 1 5 16 1 f 和彤分別是f 由損傷引起的變化和白的測試誤差 相信這種 狀態(tài)會隨著測試技術的進步逐步得到改善 1 2 4 基于模態(tài)振型變化的損傷識別技術 相對于固有頻率模態(tài)振型雖然測試精度較低但卻包含著更多的損傷信息 因此基于 模態(tài)振型的損傷識別更為普遍 常用方法有 1 模態(tài)置信度 m a c c o m a c 法 該方法是利用模態(tài)置信判據(jù)進行損傷識別 當損傷未發(fā)生時 模態(tài)置信度值為1 當損傷發(fā)生時 振型發(fā)生變化 模態(tài)置信度的值 不再為1 2 模態(tài)正交法 該方法主要利用模態(tài)振型與結構剛度矩陣 質(zhì)量矩陣的正交性來 識別結構的損傷 已知未損傷結構的的剛度矩陣 k 質(zhì)量矩陣 m 和損傷前后的 模態(tài)振型 痧 辦 無損傷時模態(tài)滿足正交條件 杉m 九和 k 九的非對角元素為零 損傷時衫m(xù) 九和刃k 九的非對角元素將不再為零 且杉茁九的主對角元素不等于未損傷 時頻率對角陣的主元素值 因此可根據(jù)杉m 九和杉j r 九矩陣的非對角元素值來進行損傷 的識別 由于該方法要用到剛度矩陣和質(zhì)量矩陣 涉及到模態(tài)的插值擴階或模態(tài)縮減問 題 這給該方法的識別效果帶來了一定的影響 1 2 5 基于柔度變化的損傷識別技術 近年來 一些研究者利用模態(tài)柔度的改變量對結構進行損傷識別 指出模態(tài)柔度比 固有頻率或振型對局部損傷更敏感 可以更好地識別結構損傷 其主要原理是 在滿足 模態(tài)歸一的條件下 柔度矩陣是頻率的倒數(shù)和振型的函數(shù) 隨著頻率的增大 柔度矩陣 中高頻率倒數(shù)的影響可以忽略不計 這樣只需測量幾個低階模態(tài)參數(shù)和頻率即可進行損 傷識別 a k t a n 和r a g h a v e n d r a c h a r 17 通過對一個三跨混凝土橋的數(shù)值分析和實驗研究證明 了模態(tài)柔度比固有頻率或振型對局部損傷更敏感 唐小兵等 1 8 提出了利用損傷結構模態(tài) 第1 章緒論 柔度的曲率對梁的損傷位置進行識別 既有高的靈敏度又避免了使用原結構的模態(tài)參 數(shù) 孫國掣w 1 改進了傳統(tǒng)柔度陣方法 提出以結構柔度陣中某些自由度對應的對角元素 的變化率作為損傷指示函數(shù) 對多跨連續(xù)梁結構進行更為有效的損傷識別 對自由度較 多的懸臂型結構或剪切型結構 由于難以得到高階模態(tài) 鞠彥忠等 2 0 研究了利用測量穩(wěn) 態(tài)柔度矩陣來識別結構損傷的理論方法 對于懸臂結構 其柔度與其結構參數(shù)間的線性 關系 直接建立模態(tài)與結構損傷參數(shù)之間的關系 通過解矩陣方程識別損傷參數(shù) 1 2 6 基于結構剛度變化的損傷識別技術 當結構發(fā)生損傷時 其剛度必然發(fā)生變化 所以有好多學者提議利用剛度矩陣的變 化來識別結構的損傷 1 9 8 8 年p a r k 和l e e 利用結構損傷前后的剛度矩陣差來識別結構 的損傷 指出損傷程度越大 識別效果越好 當結構的損傷小于5 時 該方法將無法 進行損傷的識別 但g y b o l 卻認為剛度矩陣的識別效果與振型有關 他認為剛度矩陣只 有包含了足夠多的振型尤其是包含了那些對結構剛度矩陣影響較大的振型時此方法才 有效 1 2 7 基于應變能變化的損傷識別技術 在眾多損傷標識量中應變能指標以其對結構局部損傷的敏感性和良好的抗噪性能 受到廣泛關注 1 9 9 5 年s t u b b s 等 2 1 2 2 基于模態(tài)應變能概念提出用損傷指標法來識別結 構的損傷 并將這一方法應用于梁結構和板式結構的損傷識別中 史治宇等 2 3 2 4 等采用 模態(tài)應變能的變化率作為結構損傷指標 在對梁結構和平面剛架結構的損傷定位和損傷 程度判別方面都做了卓有成效的研究 但對于大跨度斜拉橋 懸索橋等柔性結構來說 由于其頻率低且分布較密 用此方法并不適合 針對此種情況袁明等p 1 提出了c m s e 法 并進行了汀九斜拉橋的損傷診斷數(shù)值仿真試驗 結果表明c m s e 法既考慮了高階模 態(tài)對單元模態(tài)應變能的貢獻 又能用少量的低階測量模態(tài)和分析模態(tài)即可保證結構的損 傷程度評估的精度 適用于低頻密頻的大跨度斜拉橋 懸索橋等柔性結構 1 2 8 基于應變模態(tài)變化的損傷識別技術 應變是位移的一階導數(shù) 因此對應于每一階位移模態(tài) 則必有其對應的固有應變分 6 懸索橋損傷指標的適用性分析 布狀態(tài) 這種與位移模態(tài)相對應的固有應變分布狀態(tài)稱之為應變模態(tài)川 應變模態(tài)可以 研究應力集中和局部結構變動對周圍區(qū)域的影響等問題 這些都是模態(tài)位移分析所無法 辦到的 1 9 9 2 年 y a o 利用應變模態(tài)概念對一個五層鋼框架進行損傷識別 作者利用實測損 傷結構的一階振型與未損傷結構的一階振型相比 從而識別結構的損傷 與其他指標相 比應變模態(tài)具有局部化特征 更能探測結構細微的局部損傷 清華大學的李德葆教授 叫則著重推導了應變響應公式及應變頻響函數(shù)矩陣 并提出 了模態(tài)實驗與應變模態(tài)參數(shù)識別的方法 湖南大學的周先雁 2 7 等人通過對框架結構的實 驗 用應變模態(tài)實現(xiàn)了對結構損傷位置的識別估 1 2 9 基于靜態(tài)特性變化損傷識別技術 結構的靜態(tài)特性參數(shù)主要有結構的剛度 結構靜態(tài)位移 應變 材料的特性參數(shù) 如 材料的彈性模量 截面的面積 等 結構發(fā)生損傷時會引起結構單元剛度變化 從而使 結構的位移 應變等參數(shù)發(fā)生相應的變化 通過對結構的位移 應變等的測量 利用上 述參數(shù)在發(fā)生損傷時計算值與測量值的殘差分析來實現(xiàn)對結構的損傷檢測 基于靜態(tài)參 數(shù)的損傷識別技術識別效果好 所需數(shù)據(jù)較易測得 1 由于靜態(tài)特性參數(shù)測量信息量較少 因此基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別方法的研究 目前還處于發(fā)展階段 2 9 但由于靜態(tài)數(shù)據(jù)測試所需的設備相對較為便宜 測試精度較高 結構的精確變形或應變可以經(jīng)濟 準確地測得 因而基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別方法 是一種既未成熟而又具有廣闊的應用前景的損傷識另j j 技術 在土木工程領域得到越來越 多的專關注 y a m 等 3 川通過有限元模型對板類結構的撓度 撓度斜率及撓度曲率構造的損傷因 子進行敏感性分析 實現(xiàn)結構損傷的識別 w a n g 等 3 1 1 研究了利用靜態(tài)測量數(shù)據(jù)及頻率 變化 通過兩步法首先運用損傷指標對結構損傷進行定位 然后運用迭代計算求解非線 性優(yōu)化問題 對結構的損傷大小進行識別 h j e l m s t a d 等 3 2 j 利用結構的靜態(tài)響應 通過 待識別參數(shù)組的自適應算法對結構損傷進行識別 他將未知數(shù)分為單元的基本參數(shù)和未 測量的位移兩部分 未測量的位移作為未知變量導致了算法的穩(wěn)定性的減小 b a n a n 等 第1 章緒論 3 3 3 4 運用靜態(tài)測量數(shù)據(jù)將結構的損傷識別問題轉化為以殘余力誤差和位移誤差最小為 優(yōu)化目標函數(shù)的優(yōu)化問題 并且研究了一種迭代算法求解該優(yōu)化方程 蔡晶等 3 5 基于靜 態(tài)測量數(shù)據(jù) 提出了服役結構損傷探測及狀態(tài)評估的概率分析方法 用g a u s s n e w t o n 法推導了在不完全測量的情況下兩種參數(shù)識別方法 目前基于靜態(tài)特性的結構損傷識別方法主要存在以下兩個方面的問題 1 相對于基 于動態(tài)測量數(shù)掘的損傷識別技術而言 基于靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的損傷識別方法由于可利用的 測量信息量較少麗難于得至 理想的識別結果 但 對于一個確定的結構而言 由于加載工 況有限而導致在某個載荷工況作用下 對結構變形影響很小的那些損傷構件很難被識別 出來 盡管利用靜態(tài)測量數(shù)據(jù)進行損傷識別對測試條件 儀器的測量精度等要求高 但近 年來由于科學技術的發(fā)展 測量儀器的精度不斷提高 同時優(yōu)化加載方式 采用優(yōu)化算 法 模型縮減法等 使基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別的測量信息量少 由于加載上況有 限而對結構變形影響很小的那些損傷構件很難被識別出來等不足均得到改善 基于靜態(tài) 測量數(shù)據(jù)的結構損傷識別方法的優(yōu)點得到了充分體現(xiàn) 由于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)精度高 穩(wěn)定 性好 因此基于靜態(tài)測量數(shù)據(jù)的損傷識別方法的研究具有廣闊的前景 1 3 傳感器布設方案的研究現(xiàn)狀 1 3 1 傳感器簡介 對橋梁進行健康監(jiān)測首先需要在橋梁結構中提取能反映結構特性的參數(shù)信號 如應 力 應變 溫度 變形 速度 加速度 位移等局部信號和整體信號 因此應用傳感器 獲取必要的結構特性信息是橋梁健康監(jiān)測和損傷檢測的首要前提 無論是手工檢測還是 健康監(jiān)測都需要高效的無損檢測設備即檢測系統(tǒng)中的傳感器 常用傳感器見表1 1 表1 1 中的傳感器在國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測中得到了廣泛的應用 近年來研究和實踐 表明結構健康監(jiān)測中新興的傳感器主要有 光纖傳感器 微機電系統(tǒng) m e m s 傳感器 g p s 和無線傳感等 8 懸索橋損傷指標的適用性分析 表1 1 損傷檢測中常見的傳感器類型 t a b 1 1t h eu s u a ls e n s o r si nd a m a g ed e t e c t i o n 監(jiān)測內(nèi)容傳感器 載荷監(jiān)測風速儀 溫度計 強震儀 攝像機 幾何監(jiān)測 位移計 傾角計 g p s 電子測距計 數(shù)字像機 動 靜力監(jiān)測位移計 傾角計 應變計 測力計 加速度計 光纖傳感器技術是其中發(fā)展很快的一支 光纖傳感器具有體積小 安裝方便 不怕 電磁干擾 反應靈敏等優(yōu)點 在橋梁 大壩等超靜定結構建筑的應變檢測中有著獨特的 優(yōu)勢 m e m s 傳感器在可靠性和造價方面有較大的優(yōu)勢 它不但可以適應橋梁結構惡劣 的工作環(huán)境 而且精度高 造價低 為給橋梁大量布設傳感器提供了可能 g p s 全球定 位系統(tǒng)可獲得漸進的主跨垂直傾斜 橋面撓度和塔頂?shù)钠?g p s 還可以直接測得橋梁 結構的三維位移 在懸索橋的健康監(jiān)測中該系統(tǒng)不僅可行而且精度可提高到厘米水平 有線傳輸系統(tǒng)造價高 信號易受環(huán)境的干擾 為此出現(xiàn)了無線傳感系統(tǒng) 無線傳感安裝 方便 可實現(xiàn)傳感器之間的無線通信 減輕了系統(tǒng)對中心數(shù)據(jù)采集單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的依 賴 1 3 2 傳感器優(yōu)化布設方法的研究 大型復雜結構的自由度通?？梢赃_到幾千甚至幾萬 而測量信息量十分有限 這說 明除了測量得到的部分已知信息外還有大量的信息是未知的 直接用這些不完全數(shù)據(jù)進 行損傷識別時傳感器布置的位置與數(shù)量就對損傷識別的效果起著至關重要的作用 如何 安排有限數(shù)量的傳感器實現(xiàn)對結構狀態(tài)改變信息的最優(yōu)采集 是大跨度橋梁健康監(jiān)測的 關鍵技術之一 3 6 一種好的傳感器布設方案應做到 1 在含噪聲的環(huán)境中 能夠利用盡可能少的傳感 器獲取全面 精確的結構參數(shù)信息 2 測得的模態(tài)應能夠與模型分析的結果建立起對應 關系 3 能夠通過合理添加測點對感興趣的部分模態(tài)進行數(shù)據(jù)重點采集 4 測得的時 程記錄將對模態(tài)參數(shù)的變化最為敏感i j 除此之外 c a m e 和d o h m a n n 還強調(diào)了傳感器 布設應使模態(tài)試驗結果具有良好的可視性和直觀性 圳 9 第1 章緒論 傳感器優(yōu)化布設方案的研究是以大型有限元軟件為工作平臺的 其基本思想是利用 有限元模型的模態(tài)分析結果組成初始布點的模態(tài)矩陣 然后根據(jù)傳感器優(yōu)化方法編制程 序 實現(xiàn)傳感器優(yōu)化布置的目的 傳感器優(yōu)化配置的方法很多 3 9 每種方法都有其應 用的合適范圍 優(yōu)勢和局限性 優(yōu)化方法的選擇直接關系到優(yōu)化計算的效率和可行性 傳感器方案的優(yōu)化布設是一個組合優(yōu)化問題 設需要在 個可選位置上布置m 個傳 感器 當n 和聊都很大時 如果用窮舉法需要計算的次數(shù)太多 往往難以求解 由于組 合優(yōu)化問題的難度 它的求解仍然是研究的熱點之一 在傳感器的優(yōu)化布設方面 目前 已經(jīng)提出了很多種方法 下面就幾種主要的方法作一下簡單的介紹 1 有效獨立法 1 9 9 1 年 k a m m e r 4 0 4 1 提出了有效獨立法 e 膿c t i v ei n d e p e n d e n c e 簡稱e f i 其基本 思想是逐步消除那些對目標振型的獨立性貢獻最小的自由度 以使目標振型的空間分辨 率能得到最大程度的保證 他采用逐步消去法 3 9 1 使f i s h e r 信息陣1 4 2 1 感興趣的模態(tài)向量盡 可能地線性無關 從而在試驗數(shù)據(jù)中采集到最大的模態(tài)反應信息 2 模型縮減法 g u y a n 的模型縮減法 4 3 1 也是一種常用的測點選擇方法 通過剛度或質(zhì)量子矩陣構成 的轉換矩陣可以把那些對模態(tài)反應起主要作用的自由度保留下來作為測點的位置 該方 法可以較好地保留低階模態(tài) 但不一定代表待測模態(tài) 有學者基于上述限制分別提出改 進縮減系統(tǒng)和連續(xù)接近縮減方法 s i f t 等提出了一種基于測點對也是一種常用的測點選 擇方法 通過剛度 靜力縮減 或質(zhì)量 動力縮減 子矩陣構成的轉換矩陣 可以把那些 對模態(tài)反應起主要作用的自由度保留下來作為測點的位置 如果選擇恰當靜力縮減將能 較好地保留低階振型 而動力縮減則將可以較好地保存高階振型 3 逐步累積法 逐步累積法是模型縮減法的逆運算 它將用有限元得到的自由度作為傳感器的初始配 置 然后不斷的從剩余可選位置中選取1 個最優(yōu)的加入到優(yōu)化配置中 直至達到最優(yōu)的 數(shù)目為止 由這種方法得到的是次優(yōu)解即局部最優(yōu)解 4 遺傳算法 1 0 懸索橋損傷指標的適用性分析 遺傳算法起源于達爾文的生物進化理論 它模擬自然界 適者生存 的機制 由美國 m i c h i g a n 大學的h o l l a n d 4 5 教授所建立 其基本思想就是在遺傳計算過程中 適應度大 的個體基因得到遺傳 而適應度較差的個體基因會逐漸消失 其編碼操作使其能并行處 理大量信息 同時搜索成群的解 在多點尋優(yōu) 理論上易于達到全局最優(yōu)解 適于大型 復雜結構如大跨度橋梁的傳感器最優(yōu)測點布設問題 清華大學的秦權 4 6 1 等人據(jù)此對香港 青馬大橋的傳感器優(yōu)化布設問題進行了研究 把測取的變形能最大作為為遺傳進化的適 應值 較好地解決大型結構傳感器優(yōu)化布設問題開辟了新的途徑 1 3 2 傳感器測點布設的評估標準 對于一組選定的測點 有必要建立一個標準對其進行評價 從而也是對相應的傳感 器優(yōu)化布點算法的優(yōu)劣進行評價 目前關于測點布設的評估標準主要有五個 這五種標 準分別為模態(tài)保證標準 m a c 修正模態(tài)保證標準 振型矩陣的條件數(shù) 模態(tài)運動能 f i s h e r 信息矩陣 圍繞著這五種標準 形成了很多算法 盡管這些標準在理論上存在或 多或少的聯(lián)系 但對于一個特定的結構進行傳感器優(yōu)化布設時 不同算法所需要的傳感 器數(shù)量以及布設的位置可能各不相同 上述測點布設方案的五個評估標準中 模態(tài)保證標準 修正模態(tài)保證標準 振型矩 陣的條件數(shù)在保障實驗模態(tài)向量的正交性方面起到了基本的作用 但不能保證測點對結 構待識別參數(shù)的敏感性達到最優(yōu) 模態(tài)運動能能保證傳感器布設在反應的高幅點 有利 于數(shù)據(jù)的采集及提高測量的抗噪能力 f i s h e r 信息矩陣依賴于待識別參數(shù)g 當g 為廣 義坐標向量時 它即保證實驗模態(tài)向量的正交性 關于這五種標準 有些文獻上已經(jīng)給 出了相應的評價 如u d w a d i a 認為模態(tài)運動能標準得不到傳感器的最優(yōu)布設 并建議 不再進一步發(fā)展基于這種標準的布設方法m p e n n y 等t 4 s l 曾以幾個簡單的板梁數(shù)值模型 為背景 采用g u y a n 模型縮減法和線性獨立法 研究了5 種評價標準 但是并未得到 一個確定的結論 1 4 論文的主要內(nèi)容 經(jīng)過了多年的理論研究和實際工程經(jīng)驗的積累 結構的損傷識別方面已經(jīng)取得了許 多重大的研究成果 但仍然存在著一些不足 主要有 1 在損傷指標的選擇上多選擇單 第1 章緒論 一的指標來進行損傷的識別 2 損傷指標的相關性分析不夠 將指標與傳感器布設方案 結合在一起進行分析的更是少見 3 各種傳感器布設方案只在局部問題中有效 同一個 結構按不同的布設方法得出的布設方案往往是不同的 尚缺乏有效的傳感器布設方案的 評價指標 4 多數(shù)傳感器布設方案只對低自由度的簡單結構 如簡支梁 桁架等 有 效 大型橋梁結構的傳感器布設方案的研究一直是一個難點 為此本課題的主要研究內(nèi) 容如下 i 損傷指標的適用性分析 懸索橋是一個復雜結構 不同的損傷情況的動 靜力指標的靈敏度是不同的 采 用單一指標很難達到預期的識別效果 本課題運用a n s y s 軟件建立三維懸索橋有限元模 型 比較分析在不同損傷工況下各個損傷指標的識別效果 根據(jù)各個指標對懸索橋不同 損傷位置的適用性并考慮損傷位置對結構安全的權重 針對懸索橋提出一組常見損傷類 型的綜合的損傷識別指標 2 傳感器布設方案的研究 針對上面提出的一組損傷識別指標 選定合適的傳感器類型 借鑒其他工程中傳感 器的布設方法 根據(jù)不同的識別指標的識別特性確定測點 建立傳感器系統(tǒng)的框架 尚 不涉及優(yōu)化問題 3 在實驗室模型橋上進行輔助試驗研究 模型橋為全長1 0 m 的三跨懸索橋 主跨5 8 m 兩邊跨2 1 m 在模型橋上布設傳感 器系統(tǒng) 觀察其識別效果 分析試驗結果產(chǎn)生的原因 測試所選指標體系的在實際檢測 中豹可行性 1 5 本章小結 本章主要闡述了課題研究的背景 目的和意義 概述了結構損傷識別和傳感器優(yōu)化 布設的發(fā)展概況 指出了將損傷識別指標和傳感器布設方案結合起來進行損傷識別的重 要意義 在文章的最后簡要介紹了本論文研究的主要內(nèi)容 懸索橋損傷指標的適用性分析 第2 章結構損傷識別和傳感器布設方法的理論研究 2 1 基于結構固有頻率變化的損傷識別方法 根據(jù)結構力學理論可知結構損傷的存在必然會使結構的物理參數(shù)發(fā)生變化 進而會 影響到結構的靜 動力響應特性 使得各種結構力學參數(shù) 應變 固有頻率和模態(tài)振型 等 在不同程度上受到影響 進而使結構顯示出與正常結構相區(qū)別的靜 動態(tài)特性 在 各種結構參數(shù)中 基于頻率測量的損傷識別方法很具吸引力 因為在實際結構中 頻率 容易測量且與測量位置無關 是識別中常用的敏感性參數(shù) 2 1 1 理論推導 多自由度體系的基本運動方程為 k 一國2 材 礦 o 2 1 其攝動形式為 k k 世 一 國2 a m 2 m a m 廬 力 o 2 2 一般假設損傷只影響結構的剛度 而對質(zhì)量則無影響 m 可以近似取值為o 可有 q f a k 2 3 其中r 為損傷位置向量 級數(shù)展開并忽略高階項可得 q f o r 似怎 0 2 4 因為 o 0 所以 q a k g r 2 5 同理有 q a k g l r 2 6 假設剛度的變化獨立于頻率 則有 4 9 1 3 第2 章結構損傷識別和傳感器布設方法的理論研究 等 船g j r 刪 2 7 國 由公式 2 7 c a w l e y 和a d a m s 得出結論 某兩階頻率改變量的比值僅是損傷位置 的函數(shù) 根據(jù)這個結論 c a w l e y 和a d a m s 進而提出利用 頻率變化比 檢測結構損 傷位置的原理 當結構發(fā)生損傷后 任意某兩階頻率改變量的比值僅是損傷位置的函數(shù) 而與損傷的大小沒有關系 并且隨著損傷位置的不同 這個 頻率變化比 的比值也會 變化 那么利用實測出的結構發(fā)生損傷后的 頻率變化比 便可以識別出結構發(fā)生損傷 的位置 公式 2 7 的推導是在忽略二階項的前提下得出的 當結構損傷較小時 二階項很小 可以忽略 然而當結構損傷較大時 二階項的忽略必會對該方法的正確性產(chǎn)生影響