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基于应变响应数据驱动的结构损伤识别方法

基于应变响应数据驱动的结构损伤识别方法

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作者：秘佳楠厦门大学

学位级别：硕士

结构健康监测中的损伤识别成为了十分重要的问题。为提高土木工程的可靠度和降低事故发生的风险,进行结构的损伤识别有着十分重要的经济价值和工程意义。快速、准确地识别桥梁结构的震后损伤具有重要的现实意义。桥梁结构响应不仅受结... 详细信息

结构健康监测中的损伤识别成为了十分重要的问题。为提高土木工程的可靠度和降低事故发生的风险,进行结构的损伤识别有着十分重要的经济价值和工程意义。快速、准确地识别桥梁结构的震后损伤具有重要的现实意义。桥梁结构响应不仅受结构特性的影响,还和地震荷载和工作环境等复杂因素有关,而地震作用是无法预测和难以准确测量的,这使得根据未知地震激励下的结构响应来识别损伤成为有挑战性的课题。一种思路是将系统输入仅作为动力源,使其不参与识别过程,从而避免了对系统输入测量的依赖。这类方法能够仅基于响应数据进行结构损伤识别,不需要对结构施加特定的人工激励,从而避免了结构正常运营的中断,不仅测试成本低,而且测量时间大大缩短,便于工程应用。目前损伤识别方法可以根据对健康数据的依赖程度,分为需要健康和受损结构的数据的方法和只需要损伤结构的数据的方法,也就是有基线法和无基线法。大多数现有结构,特别是老旧结构由于历史或技术原因通常都缺乏健康数据,并且作为参考的无损数据可能会受到复杂环境影响,而不准确的健康数据又会对损伤识别造成困难,甚至造成错误的识别结果。因此发展对结构的无基线损伤识别研究非常重要。工程结构在疲劳荷载或强激励作用(如地震)下通常会产生明显的非线性行为,如混凝土的呼吸裂缝、钢筋发生屈服等。而结构在经历疲劳荷载或强激励作用后往往需要进行健康评估以保证其安全性和可靠性。目前损伤单元定位和定量识别的研究一般假设结构损伤为单元刚度折减等线性的损伤形式,与实际工程存在一定出入。由于结构进入非线性状态,使得传递比函数、频响函数等线性结构中的理论将不再适用。同时现有方法多是基于非线性模型进行损伤识别,但是非线性模型的建立较为困难。因此基于振动信号对多自由度系统中非线性损伤无模型定位和恢复力识别是土木工程中一个非常重要的问题。本论文主要研究内容如下:第二章讨论并证明了小波传递比函数在未知地震激励下进行损伤识别的可行性。结合了应变传递比与小波变换的优点,应变对结构响应中的微小变化比位移更敏感,并且应变传递比与传统的传递比相比显示出更好的性能。并且本章方法仅基于应变响应数据进行结构损伤识别不需要对结构施加人工激励,避免了结构正常运行的中断,测试成本低。通过对未知地震激励下的外伸梁模型和实际斜拉桥模型进行损伤识别,证明了该方法能准确定位结构中单个或多个损伤单元,并能在一定程度上识别损伤程度。并进行了斜拉桥桥塔实验验证了本章方法具有较高的识别精度和良好的抗噪声性能。第三章提出了一种结合应变传递比和振型小波分解的无基线损伤识别方法。基于应变响应功率谱密度传递比识别应变模态振型,利用小波分解将损伤位置处的模态异常进行放大对损伤进行定位。所提方法不需要基线数据作为对比,实现基于应变响应的无基线损伤识别。最后通过对简支梁、实际桥梁的有限元模型以及桥塔试验的损伤定位验证了方法的准确性和鲁棒性。第四章提出了结构非线性损伤定位与非线性恢复力识别的方法。计算各个单元应变响应的相对小波熵作为指标进行无基线的结构损伤单元定位。基于定位结果,将定位的损伤单元的非线性恢复力视为作用在线性结构上的“附加虚拟力”,并且进一步采用课题组提出的广义未知激励下的卡尔曼滤波(GKF-UI),对非线性恢复力进行无模型识别。该方法无需基线数据也不需要假设或者建立非线性力模型。同时由于GKF-UI可以实现无反馈的未知力识别,所以该方法也不需要观测非线性力作用位置处的响应,仅需结构的应变信号和少量加速度信号。最后通过数值算例表明了所提方法对不同数目,不同类型的非线性损伤都能够进行准确地定位和非线性力识别,具备广泛的工程应用前景。

关键词：结构损伤识别应变传递比函数无基线损伤识别应变模态振型小波变换非线性损伤定位相对小波熵非线性恢复力识别广义未知激励下的卡尔曼滤波

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