（道路與鐵道工程專業(yè)論文）懸索橋損傷指標(biāo)的適用性分析.pdf

中文摘要 摘要 在諸如懸索橋這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與診斷中 傳感器的布設(shè)方案和損 傷指標(biāo)體系的選擇直接影響著損傷識別的效果 國內(nèi)外學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了大 量研究并取得了一定成果 但是由于結(jié)構(gòu)的健康診斷與損傷識別問題的復(fù)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(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)響應(yīng)的測量一般都是不完備的 這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)識別結(jié)果的不唯 一性 n y 結(jié)構(gòu)工況的復(fù)雜性和工作環(huán)境的隨機(jī)性 合理地布設(shè)傳感器和恰當(dāng)?shù)?選用健康狀態(tài)指標(biāo)對于懸索橋結(jié)構(gòu)的健康診斷是十分重要的 傳感器布設(shè)與健康狀態(tài)指標(biāo)的選擇是密切相關(guān)的 目前 根據(jù)所用數(shù)據(jù)的類 型將損傷指標(biāo)大致分為兩大類 基于靜態(tài)特性的損傷指標(biāo)和基于動態(tài)特性的損傷指 標(biāo) 懸索橋是一個由多種材料 不同構(gòu)件組成的復(fù)雜體系 不同部位的損傷對各 個指標(biāo)的影響也是不同的 單一的指標(biāo)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(jìn)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(yīng)變差指標(biāo)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(yīng)變差指標(biāo)組成的指 標(biāo)體系來識別懸索橋的損傷 根據(jù)上述三個指標(biāo)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(shè)方法 詳細(xì)論述了懸索橋檢測時應(yīng)變 頻率 模態(tài)曲率的測點布置情況 應(yīng)變 測點根據(jù)應(yīng)變分布圖來進(jìn)行布置 頻率則是依據(jù)動能最大原理來布設(shè) 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?zāi)Ｐ蜕蠈宜鳂蚩赡艿膿p傷情況進(jìn)行了試驗?zāi)M 提取結(jié) 構(gòu)損傷前后的頻率改變比為輸入數(shù)據(jù) 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對損傷區(qū)域定位進(jìn)行了 試驗研究 結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞 懸索橋 損傷識別 傳感器布設(shè) 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(xué)學(xué)位論文原倉4 性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果 撰寫成博士 碩士學(xué)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(xiàn)的個人和集體 均已在文中以明 確方式標(biāo)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(zé)任由本人承擔(dān) 論文作者簽名 機(jī)暢蟲壓卅年 月i 陽 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 大連海事大學(xué)研究生學(xué)位論文提交 版權(quán)使用管理辦法 同意大連海事大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位 論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)大連海事大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 也可采用影印 縮印或 掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論文 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書 本學(xué)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(biāo)的適用性分析 第1 章緒論 1 1 課題背景 隨著科技的進(jìn)步 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會的需求 現(xiàn)代的工程結(jié)構(gòu)正朝著高層次 大型 化方向發(fā)展 尤其是進(jìn)入了2 1 世紀(jì)以后 大型橋梁結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)在復(fù)雜的服役環(huán)境中 設(shè)計載荷的作用 材料的老化及各種突發(fā)性外在 因素 風(fēng) 地震 的影響使得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞 給人們的生命和財產(chǎn)帶來損失 所以利用結(jié)構(gòu)損 傷檢測的理論和方法 建立結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng) 及早的對結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線監(jiān)測和損傷檢測 對結(jié)構(gòu)的安全可靠性及結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行科學(xué) 準(zhǔn)確的評估具有重要的科學(xué)意義和很 強(qiáng)的工程實際應(yīng)用背景 近年來 大型橋梁健康監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)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(shè)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(jìn)行施工階段及通車首年的監(jiān)測 旨在檢查關(guān)鍵的設(shè)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(hù)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(shù)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(fēng) 加速度 傾斜度 應(yīng)變 溫度 位移進(jìn)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(biāo) 一般必須利用由傳感器和計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)健 康監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的在線監(jiān)測 并有效利用監(jiān)測信息反演結(jié)構(gòu)的狀態(tài) 識別結(jié)構(gòu) 中的損傷 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的效果主要取決于以下兩個方面 技術(shù)上而言 主要是先進(jìn)傳 第1 章緒論 感器的優(yōu)化布設(shè)和信息的高效傳輸 理論上而言 主要是結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)狀態(tài)信息的最 優(yōu)采集是懸索橋健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一 損傷識別一直是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的關(guān) 鍵 它更注重于根據(jù)傳感器提供的信息 定義損傷指標(biāo)以評估其程度 經(jīng)過多年的理論 研究與實際應(yīng)用國內(nèi)外學(xué)者己在這兩個領(lǐng)域取得了一系列的研究成果 但是由于結(jié)構(gòu)的 健康診斷與損傷識別問題的復(fù)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(biāo)的選擇與傳感器的布設(shè)之間是密切相關(guān)的 一方面 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為結(jié)構(gòu)識 別過程提供了結(jié)構(gòu)在實際服役條件下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)實測信息 另一方面 結(jié)構(gòu)識別得到結(jié)構(gòu) 的準(zhǔn)確響應(yīng)特征和模型 為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷監(jiān)測提供了基礎(chǔ) 但是 理論上而言 根 據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)識別其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)和可能的結(jié)構(gòu)損傷是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu) 構(gòu)造 工作環(huán)境等方面的復(fù)雜性與不確定性 大型結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)與損傷識別確實是一 個復(fù)雜的過程 因此根據(jù)兩者之間的關(guān)系將傳感器布設(shè)方案與損傷識別指標(biāo)結(jié)合起來是 一個值得進(jìn)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(biāo)并根 據(jù)此指標(biāo)確定傳感器布設(shè)方案 最大限度的獲取結(jié)構(gòu)信息進(jìn)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(biāo)的研究現(xiàn)狀 對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(lǐng)域 它的主要內(nèi)容包括對結(jié)構(gòu)體系中是否出現(xiàn)損傷進(jìn)行判別及對已經(jīng)出現(xiàn) 的損傷定位和對損傷程度進(jìn)行有效的度量 即通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測 以確定結(jié)構(gòu)是否有 損傷存在 進(jìn)而判別損傷程度和定位 以及結(jié)構(gòu)目前的狀況 使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變 化趨勢 對由損傷引起的結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險進(jìn)行評估 總的來說結(jié)構(gòu)損傷診斷主要包括三方面的內(nèi)容 1 結(jié)構(gòu)損傷識別 也就是結(jié)構(gòu) 2 懸索橋損傷指標(biāo)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(jìn)行結(jié)構(gòu)故障診斷的基礎(chǔ) 目前國際 上關(guān)于結(jié)構(gòu)故障診斷的研究多集中在損傷識別的層次上 2 結(jié)構(gòu)損傷定位 即結(jié)構(gòu) 損傷位置的判斷 屬于損傷的定位判斷 損傷定位是進(jìn)行結(jié)構(gòu)故障診斷的核心 也是問 題的難點所在 3 結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定和評價 即損傷的定量判斷 結(jié)構(gòu)損傷程度 的標(biāo)定和評價常常是對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷的目的所在 因為結(jié)構(gòu)損傷程度的標(biāo)定和 評價是進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評定及實施維修決策的基礎(chǔ) 從邏輯上講 要進(jìn)行損傷識別和定位 首先需要解決的是損傷標(biāo)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(biāo)定損傷的位置和程度 目前 用于損傷 定位的指標(biāo)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(biāo)和 基于動態(tài)特性的損傷指標(biāo) 在基于結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的損傷識別研究中 常用的指標(biāo)包括結(jié) 構(gòu)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(biāo)模態(tài)保證準(zhǔn)則等 在 基于結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性中 常用的指標(biāo)包括應(yīng)力差 應(yīng)變差 剛度差等 以下僅對結(jié)構(gòu)損傷 檢測常用敏感參數(shù)的研究情況進(jìn)行簡單的介紹 1 2 1 基于固有頻率變化的損傷識別技術(shù) 利用動力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷識別是當(dāng)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(jié)構(gòu)的整體損傷 因此實際工程上也有比較成功 的應(yīng)用 5 尤其是當(dāng)有些結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)果不具備唯一性 某些構(gòu)件的局部損傷對整體頻率 的影響極其有限 特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較小的損傷時難以據(jù)此判別結(jié)構(gòu)的損傷存在 此方 法還無法識別對稱結(jié)構(gòu)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(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(guān) 根據(jù)這個結(jié)論 c a w l e y 和a d a m s 進(jìn)而提出僅利用 頻率變化比 檢測結(jié)構(gòu)損傷 p e n n y 等 8 改進(jìn)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(lǐng)域應(yīng)用固有頻率作為診斷參數(shù)的結(jié)構(gòu)評估方法 對結(jié)構(gòu)損傷與頻率變 化之間的關(guān)系和那些限制振動監(jiān)測在損傷檢測和結(jié)構(gòu)評估中成功應(yīng)用的可能因素均進(jìn) 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(jié)構(gòu)損傷前后頻率 變化的損傷參數(shù)識別方法來確定結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度 對于層問剪切結(jié)構(gòu)模型 可以測得結(jié)構(gòu)的各階頻率 并對多種工況進(jìn)行了框架結(jié)構(gòu)模型的振動試驗 試驗結(jié)果表 明 對于層間剪切結(jié)構(gòu) 通過測量結(jié)構(gòu)頻率變化可以確定結(jié)構(gòu)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(shù) 當(dāng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的損傷 曲率是位移的2 階導(dǎo)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(jié)構(gòu)損傷檢測及損傷定位中的優(yōu)越性 現(xiàn)已能成功的應(yīng)用于梁式結(jié)構(gòu)和剛架結(jié) 構(gòu)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(dāng)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(yīng)用模態(tài)曲率方法進(jìn)行實際橋梁結(jié)構(gòu)的損傷評估仍停留在基礎(chǔ)研究階段 1 2 3 基于模態(tài)阻尼比變化的損傷識別技術(shù) 模態(tài)阻尼比也是結(jié)構(gòu)的固有屬性之一 結(jié)構(gòu)的損傷也會引起阻尼比的變化 2 0 世紀(jì) 6 0 年代 在金屬結(jié)構(gòu)的動力實驗中人們發(fā)現(xiàn)損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(fù)合材料層板的動力實驗中 以及在 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(biāo)的適用性分析 可以用模態(tài)阻尼比f 的變化作為結(jié)構(gòu)的損傷標(biāo)識指標(biāo) 基于模態(tài)阻尼比變化的結(jié)構(gòu)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(shù)的進(jìn)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(shù) 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(jìn)行損傷識別 當(dāng)損傷未發(fā)生時 模態(tài)置信度值為1 當(dāng)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(jié)構(gòu)剛度矩陣 質(zhì)量矩陣的正交性來 識別結(jié)構(gòu)的損傷 已知未損傷結(jié)構(gòu)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(jìn)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(kuò)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(shù) 近年來 一些研究者利用模態(tài)柔度的改變量對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jié)構(gòu)模態(tài) 第1 章緒論 柔度的曲率對梁的損傷位置進(jìn)行識別 既有高的靈敏度又避免了使用原結(jié)構(gòu)的模態(tài)參 數(shù) 孫國掣w 1 改進(jìn)了傳統(tǒng)柔度陣方法 提出以結(jié)構(gòu)柔度陣中某些自由度對應(yīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行更為有效的損傷識別 對自由度較 多的懸臂型結(jié)構(gòu)或剪切型結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)損傷的理論方法 對于懸臂結(jié)構(gòu) 其柔度與其結(jié)構(gòu)參數(shù)間的線性 關(guān)系 直接建立模態(tài)與結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)之間的關(guān)系 通過解矩陣方程識別損傷參數(shù) 1 2 6 基于結(jié)構(gòu)剛度變化的損傷識別技術(shù) 當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時 其剛度必然發(fā)生變化 所以有好多學(xué)者提議利用剛度矩陣的變 化來識別結(jié)構(gòu)的損傷 1 9 8 8 年p a r k 和l e e 利用結(jié)構(gòu)損傷前后的剛度矩陣差來識別結(jié)構(gòu) 的損傷 指出損傷程度越大 識別效果越好 當(dāng)結(jié)構(gòu)的損傷小于5 時 該方法將無法 進(jìn)行損傷的識別 但g y b o l 卻認(rèn)為剛度矩陣的識別效果與振型有關(guān) 他認(rèn)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(jié)構(gòu)剛度矩陣影響較大的振型時此方法才 有效 1 2 7 基于應(yīng)變能變化的損傷識別技術(shù) 在眾多損傷標(biāo)識量中應(yīng)變能指標(biāo)以其對結(jié)構(gòu)局部損傷的敏感性和良好的抗噪性能 受到廣泛關(guān)注 1 9 9 5 年s t u b b s 等 2 1 2 2 基于模態(tài)應(yīng)變能概念提出用損傷指標(biāo)法來識別結(jié) 構(gòu)的損傷 并將這一方法應(yīng)用于梁結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)的損傷識別中 史治宇等 2 3 2 4 等采用 模態(tài)應(yīng)變能的變化率作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo) 在對梁結(jié)構(gòu)和平面剛架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)行了汀九斜拉橋的損傷診斷數(shù)值仿真試驗 結(jié)果表明c m s e 法既考慮了高階模 態(tài)對單元模態(tài)應(yīng)變能的貢獻(xiàn) 又能用少量的低階測量模態(tài)和分析模態(tài)即可保證結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 1 2 8 基于應(yīng)變模態(tài)變化的損傷識別技術(shù) 應(yīng)變是位移的一階導(dǎo)數(shù) 因此對應(yīng)于每一階位移模態(tài) 則必有其對應(yīng)的固有應(yīng)變分 6 懸索橋損傷指標(biāo)的適用性分析 布狀態(tài) 這種與位移模態(tài)相對應(yīng)的固有應(yīng)變分布狀態(tài)稱之為應(yīng)變模態(tài)川 應(yīng)變模態(tài)可以 研究應(yīng)力集中和局部結(jié)構(gòu)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(yīng)變模態(tài)概念對一個五層鋼框架進(jìn)行損傷識別 作者利用實測損 傷結(jié)構(gòu)的一階振型與未損傷結(jié)構(gòu)的一階振型相比 從而識別結(jié)構(gòu)的損傷 與其他指標(biāo)相 比應(yīng)變模態(tài)具有局部化特征 更能探測結(jié)構(gòu)細(xì)微的局部損傷 清華大學(xué)的李德葆教授 叫則著重推導(dǎo)了應(yīng)變響應(yīng)公式及應(yīng)變頻響函數(shù)矩陣 并提出 了模態(tài)實驗與應(yīng)變模態(tài)參數(shù)識別的方法 湖南大學(xué)的周先雁 2 7 等人通過對框架結(jié)構(gòu)的實 驗 用應(yīng)變模態(tài)實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)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(shù) 結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性參數(shù)主要有結(jié)構(gòu)的剛度 結(jié)構(gòu)靜態(tài)位移 應(yīng)變 材料的特性參數(shù) 如 材料的彈性模量 截面的面積 等 結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時會引起結(jié)構(gòu)單元剛度變化 從而使 結(jié)構(gòu)的位移 應(yīng)變等參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化 通過對結(jié)構(gòu)的位移 應(yīng)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(jié)構(gòu)的損傷檢測 基于靜態(tài)參 數(shù)的損傷識別技術(shù)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(shè)備相對較為便宜 測試精度較高 結(jié)構(gòu)的精確變形或應(yīng)變可以經(jīng)濟(jì) 準(zhǔn)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(yīng)用前景的損傷識另j j 技術(shù) 在土木工程領(lǐng)域得到越來越 多的專關(guān)注 y a m 等 3 川通過有限元模型對板類結(jié)構(gòu)的撓度 撓度斜率及撓度曲率構(gòu)造的損傷因 子進(jìn)行敏感性分析 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(yùn)用損傷指標(biāo)對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行定位 然后運(yùn)用迭代計算求解非線 性優(yōu)化問題 對結(jié)構(gòu)的損傷大小進(jìn)行識別 h j e l m s t a d 等 3 2 j 利用結(jié)構(gòu)的靜態(tài)響應(yīng) 通過 待識別參數(shù)組的自適應(yīng)算法對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)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(dǎo)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(yùn)用靜態(tài)測量數(shù)據(jù)將結(jié)構(gòu)的損傷識別問題轉(zhuǎn)化為以殘余力誤差和位移誤差最小為 優(yōu)化目標(biāo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)果 但 對于一個確定的結(jié)構(gòu)而言 由于加載工 況有限而導(dǎo)致在某個載荷工況作用下 對結(jié)構(gòu)變形影響很小的那些損傷構(gòu)件很難被識別 出來 盡管利用靜態(tài)測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)技術(shù)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(jié)構(gòu)變形影響很小的那些損傷構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)方案的研究現(xiàn)狀 1 3 1 傳感器簡介 對橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測首先需要在橋梁結(jié)構(gòu)中提取能反映結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)信號 如應(yīng) 力 應(yīng)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(yīng)用傳感器 獲取必要的結(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)用 近年來研究和實踐 表明結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中新興的傳感器主要有 光纖傳感器 微機(jī)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(biāo)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(fēng)速儀 溫度計 強(qiáng)震儀 攝像機(jī) 幾何監(jiān)測 位移計 傾角計 g p s 電子測距計 數(shù)字像機(jī) 動 靜力監(jiān)測位移計 傾角計 應(yīng)變計 測力計 加速度計 光纖傳感器技術(shù)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(yīng)靈敏等優(yōu)點 在橋梁 大壩等超靜定結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)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(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)惡劣 的工作環(huán)境 而且精度高 造價低 為給橋梁大量布設(shè)傳感器提供了可能 g p s 全球定 位系統(tǒng)可獲得漸進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shè)方法的研究 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由度通?？梢赃_(dá)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(jìn) 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(guān)重要的作用 如何 安排有限數(shù)量的傳感器實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)之一 3 6 一種好的傳感器布設(shè)方案應(yīng)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(jié)構(gòu)參數(shù)信息 2 測得的模態(tài)應(yīng)能夠與模型分析的結(jié)果建立起對應(yīng) 關(guān)系 3 能夠通過合理添加測點對感興趣的部分模態(tài)進(jìn)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(qiáng)調(diào)了傳感器 布設(shè)應(yīng)使模態(tài)試驗結(jié)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(shè)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(jié)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(yīng) 用的合適范圍 優(yōu)勢和局限性 優(yōu)化方法的選擇直接關(guān)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(shè)是一個組合優(yōu)化問題 設(shè)需要在 個可選位置上布置m 個傳 感器 當(dāng)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(shè)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(biāo)振型的獨立性貢獻(xiàn)最小的自由度 以使目標(biāo)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(guān) 從而在試驗數(shù)據(jù)中采集到最大的模態(tài)反應(yīng)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(gòu)成 的轉(zhuǎn)換矩陣可以把那些對模態(tài)反應(yīng)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(xué)者基于上述限制分別提出改 進(jìn)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(gòu)成的轉(zhuǎn)換矩陣 可以把那些 對模態(tài)反應(yīng)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(dāng)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(yùn)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(dá)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(biāo)的適用性分析 遺傳算法起源于達(dá)爾文的生物進(jìn)化理論 它模擬自然界 適者生存 的機(jī)制 由美國 m i c h i g a n 大學(xué)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(yīng)度大 的個體基因得到遺傳 而適應(yīng)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(dá)到全局最優(yōu)解 適于大型 復(fù)雜結(jié)構(gòu)如大跨度橋梁的傳感器最優(yōu)測點布設(shè)問題 清華大學(xué)的秦權(quán) 4 6 1 等人據(jù)此對香港 青馬大橋的傳感器優(yōu)化布設(shè)問題進(jìn)行了研究 把測取的變形能最大作為為遺傳進(jìn)化的適 應(yīng)值 較好地解決大型結(jié)構(gòu)傳感器優(yōu)化布設(shè)問題開辟了新的途徑 1 3 2 傳感器測點布設(shè)的評估標(biāo)準(zhǔn) 對于一組選定的測點 有必要建立一個標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評價 從而也是對相應(yīng)的傳感 器優(yōu)化布點算法的優(yōu)劣進(jìn)行評價 目前關(guān)于測點布設(shè)的評估標(biāo)準(zhǔn)主要有五個 這五種標(biāo) 準(zhǔn)分別為模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn) m a c 修正模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn) 振型矩陣的條件數(shù) 模態(tài)運(yùn)動能 f i s h e r 信息矩陣 圍繞著這五種標(biāo)準(zhǔn) 形成了很多算法 盡管這些標(biāo)準(zhǔn)在理論上存在或 多或少的聯(lián)系 但對于一個特定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器優(yōu)化布設(shè)時 不同算法所需要的傳感 器數(shù)量以及布設(shè)的位置可能各不相同 上述測點布設(shè)方案的五個評估標(biāo)準(zhǔn)中 模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn) 修正模態(tài)保證標(biāo)準(zhǔn) 振型矩 陣的條件數(shù)在保障實驗?zāi)B(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(jié) 構(gòu)待識別參數(shù)的敏感性達(dá)到最優(yōu) 模態(tài)運(yùn)動能能保證傳感器布設(shè)在反應(yīng)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(dāng)g 為廣 義坐標(biāo)向量時 它即保證實驗?zāi)B(tài)向量的正交性 關(guān)于這五種標(biāo)準(zhǔn) 有些文獻(xiàn)上已經(jīng)給 出了相應(yīng)的評價 如u d w a d i a 認(rèn)為模態(tài)運(yùn)動能標(biāo)準(zhǔn)得不到傳感器的最優(yōu)布設(shè) 并建議 不再進(jìn)一步發(fā)展基于這種標(biāo)準(zhǔn)的布設(shè)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(biāo)準(zhǔn) 但是并未得到 一個確定的結(jié)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(jié)構(gòu)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(biāo)的選擇上多選擇單 第1 章緒論 一的指標(biāo)來進(jìn)行損傷的識別 2 損傷指標(biāo)的相關(guān)性分析不夠 將指標(biāo)與傳感器布設(shè)方案 結(jié)合在一起進(jìn)行分析的更是少見 3 各種傳感器布設(shè)方案只在局部問題中有效 同一個 結(jié)構(gòu)按不同的布設(shè)方法得出的布設(shè)方案往往是不同的 尚缺乏有效的傳感器布設(shè)方案的 評價指標(biāo) 4 多數(shù)傳感器布設(shè)方案只對低自由度的簡單結(jié)構(gòu) 如簡支梁 桁架等 有 效 大型橋梁結(jié)構(gòu)的傳感器布設(shè)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(biāo)的適用性分析 懸索橋是一個復(fù)雜結(jié)構(gòu) 不同的損傷情況的動 靜力指標(biāo)的靈敏度是不同的 采 用單一指標(biāo)很難達(dá)到預(yù)期的識別效果 本課題運(yùn)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(biāo)的識別效果 根據(jù)各個指標(biāo)對懸索橋不同 損傷位置的適用性并考慮損傷位置對結(jié)構(gòu)安全的權(quán)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(biāo) 2 傳感器布設(shè)方案的研究 針對上面提出的一組損傷識別指標(biāo) 選定合適的傳感器類型 借鑒其他工程中傳感 器的布設(shè)方法 根據(jù)不同的識別指標(biāo)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(jìn)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(shè)傳感 器系統(tǒng) 觀察其識別效果 分析試驗結(jié)果產(chǎn)生的原因 測試所選指標(biāo)體系的在實際檢測 中豹可行性 1 5 本章小結(jié) 本章主要闡述了課題研究的背景 目的和意義 概述了結(jié)構(gòu)損傷識別和傳感器優(yōu)化 布設(shè)的發(fā)展概況 指出了將損傷識別指標(biāo)和傳感器布設(shè)方案結(jié)合起來進(jìn)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(biāo)的適用性分析 第2 章結(jié)構(gòu)損傷識別和傳感器布設(shè)方法的理論研究 2 1 基于結(jié)構(gòu)固有頻率變化的損傷識別方法 根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論可知結(jié)構(gòu)損傷的存在必然會使結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)發(fā)生變化 進(jìn)而會 影響到結(jié)構(gòu)的靜 動力響應(yīng)特性 使得各種結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù) 應(yīng)變 固有頻率和模態(tài)振型 等 在不同程度上受到影響 進(jìn)而使結(jié)構(gòu)顯示出與正常結(jié)構(gòu)相區(qū)別的靜 動態(tài)特性 在 各種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中 頻率 容易測量且與測量位置無關(guān) 是識別中常用的敏感性參數(shù) 2 1 1 理論推導(dǎo) 多自由度體系的基本運(yùn)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(shè)損傷只影響結(jié)構(gòu)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(shè)剛度的變化獨立于頻率 則有 4 9 1 3 第2 章結(jié)構(gòu)損傷識別和傳感器布設(shè)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(jié)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(jié)論 c a w l e y 和a d a m s 進(jìn)而提出利用 頻率變化比 檢測結(jié)構(gòu)損 傷位置的原理 當(dāng)結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)發(fā)生損傷后的 頻率變化比 便可以識別出結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷 的位置 公式 2 7 的推導(dǎo)是在忽略二階項的前提下得出的 當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷較小時 二階項很小 可以忽略 然而當(dāng)結(jié)構(gòu)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