基于小波分析的空間桿系結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別.pdf

1、大型土木工程結(jié)構(gòu)在服役期間，由于受到腐蝕、碰撞以及環(huán)境荷載作用，就面臨著一個(gè)結(jié)構(gòu)損傷的問(wèn)題。隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加，損傷不斷積累發(fā)展，當(dāng)損傷累積到一定程度會(huì)造成結(jié)構(gòu)抗力的衰減，降低結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞，因此開(kāi)展結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)的研究，特別是在不影響結(jié)構(gòu)使用的情況下診斷結(jié)構(gòu)的損傷情況，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的工作狀況以及對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估，有著十分重要的工程及現(xiàn)實(shí)意義。在此背景下，本論文結(jié)合國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域

2、的研究現(xiàn)狀，對(duì)小波分析在桿系結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要工作包括以下幾個(gè)方面： (1)對(duì)小波分析在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中基本應(yīng)用的研究。對(duì)于大多數(shù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為其構(gòu)件主要受軸向力的作用，因此，將空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)視為空間桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，由此測(cè)得的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)信號(hào)相應(yīng)的發(fā)生了突變，傳統(tǒng)的傅立葉變換只能確定一個(gè)函數(shù)奇異性的整體性質(zhì)，而難以確定奇異點(diǎn)在空間的位置及分布情況。因此利用小

3、波變換對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行小波分解，再計(jì)算其高頻分量的方差，可以更有效的分析信號(hào)的奇異性，判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的時(shí)刻。通過(guò)對(duì)深圳市民中心屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬表明，該方法能夠有效的對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷預(yù)警。 (2)對(duì)小波包在空間結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中的應(yīng)用研究。針對(duì)結(jié)構(gòu)損傷診斷的需要，首先通過(guò)小波包分析將振動(dòng)信號(hào)分解到各個(gè)頻帶，然后以各頻帶能量即小波包信號(hào)成分節(jié)點(diǎn)能量作為識(shí)別損傷的特征向量進(jìn)行損傷識(shí)別。通過(guò)一二層平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)值算例表明，小波包分

4、析具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力，能夠有效地用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。 (3)對(duì)基于小波分析和支持向量機(jī)的兩步損傷識(shí)別方法進(jìn)行了研究。首先應(yīng)用小波變換將損傷結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波分解，計(jì)算其高頻分量的方差，分析信號(hào)的奇異性，判別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻。然后對(duì)損傷信號(hào)進(jìn)行小波包分解，提取包含結(jié)構(gòu)損傷信息的小波包信號(hào)成分節(jié)點(diǎn)能量，以此為訓(xùn)練樣本，選擇合適的核函數(shù)建立支持向量機(jī)SVM模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷定位。通過(guò)對(duì)一二層平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的數(shù)值算例表明，

5、該方法能夠有效地識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。 (4)對(duì)基于包小波分析的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型修正方法進(jìn)行了研究。首先建立半剛性節(jié)點(diǎn)固結(jié)系數(shù)表示的空間網(wǎng)架單元?jiǎng)偠染仃?，并以此建立空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程。然后根據(jù)Kammer提出的有效獨(dú)立法優(yōu)化配置傳感器的安放位置，計(jì)算結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行小波包分解，提取小波包信號(hào)成分節(jié)點(diǎn)能量作為支持向量機(jī)的訓(xùn)練樣本，建立支持向量機(jī)SVM模型。最后將測(cè)試得到的信號(hào)進(jìn)行小波包分解并提取小波包信號(hào)成分節(jié)點(diǎn)能

6、量作為測(cè)試樣本，進(jìn)行支持向量機(jī)SVM模型的預(yù)測(cè)，識(shí)別出結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的固結(jié)系數(shù)。將得到的節(jié)點(diǎn)固結(jié)系數(shù)代入空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的單元?jiǎng)偠染仃?，再由坐?biāo)變換得到修正后的結(jié)構(gòu)總的剛度矩陣，從而實(shí)現(xiàn)有限元模型的修正。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。 (5)對(duì)小波包分析和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制理論在損傷識(shí)別中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。首先通過(guò)小波包分析將振動(dòng)信號(hào)分解到各個(gè)頻帶，提取小波包系數(shù)節(jié)點(diǎn)能量作為識(shí)別故障的特征向量建立損傷因子，然后再由統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制，通過(guò)計(jì)算損傷

7、因子的單側(cè)置信上限作為損傷預(yù)警的臨界點(diǎn)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的損傷預(yù)警。對(duì)一平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明該方法能夠有效的用于結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。 (6)為了驗(yàn)證基于小波分析和統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的損傷預(yù)警方法在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，對(duì)一簡(jiǎn)化的輸電塔模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該方法能夠有效的用于空間桿系結(jié)構(gòu)的損傷預(yù)警。 本文研究工作立足學(xué)科前沿，運(yùn)用最新理論和方法，對(duì)小波理論在空間桿系結(jié)構(gòu)中的損傷識(shí)別進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在線的