基于希尔伯特变换和MSVAR模型的钢管混凝土柱脱粘识别研究

作     者：李豪 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹晖

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：非线性振动特性 脱粘识别 希尔伯特变换 MSVAR模型 DPC聚类技术 

摘      要：钢管混凝土结构因其优越的结构性能在工程中被广泛使用。然而钢管混凝土结构存在脱粘脱空的问题,即混凝土与钢管之间贴合不紧密,甚至有较大的空隙,这对构件的受力性能有较大的影响,因此,钢管混凝土的脱粘检测一直是吸引研究者的重要课题。本文通过分析钢管混凝土脱粘与非线性振动特性的关系,探索方便易行的钢管混凝土脱粘无损检测方法。由于界面效应的影响,钢管混凝土结构在自由振动过程中表现出一定的非线性。本文基于脱粘会减弱混凝土与钢管的界面效应,从而导致其非线性减弱的原理,对脱粘识别进行研究。针对钢管混凝土试件的自由振动信号,本文提出利用Hilbert变换和MSVAR模型两种手段,对其非线性特性进行分析。基于此,本文设计了5根脱粘状况各异的钢管混凝土悬臂柱试件,采集其自由振动加速度信号,通过AMD分离振动分量,分别以两个方式提取非线性信息:(1)通过Hilbert变换获取振幅、频率和时间三者的关系,以相同振幅段的频率差值作为非线性指标;(2)建立MSVAR模型分析信号,以信息熵量化试件的非线性,借助DPC聚类技术排除测量噪音的干扰,得到准确反映试件各测点非线性大小的信息熵中心点作为非线性指标。通过各测点非线性指标可考察试件沿纵向非线性的变化,同时本文提出利用非线性指标斜率比的正常波动范围判断试件的脱粘情况。试验结果表明试件的非线性指标从上至下单调增大,离支座越近,非线性指标越大。非线性指标的斜率比能揭示脱粘的存在,混凝土密实的试件,斜率比在1.0附近波动;存在脱粘的试件,斜率比远远偏离1.0。当试件从脱粘部分进入非脱粘部分,斜率比远大于1.0,反之则远小于1.0。实际检测中不确定性高,信号中损伤信息可能会被噪音掩盖,因此,实验室分析得到的规律需要在工程实测中进行验证。本文在最后,对实际工程中的钢管混凝土柱进行了动测,证实了利用非线性指标斜率比的正常波动范围进行脱粘识别的可行性。