環(huán)境激勵(lì)下基于GPS的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè).pdf

1、環(huán)境侵蝕、材料老化和各種動(dòng)靜力荷載的長(zhǎng)期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)與突變效應(yīng)等不利因素都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷累積和抗力衰減，極端情況下更會(huì)引起災(zāi)難性的突發(fā)事件，造成惡劣的社會(huì)影響。GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)，因其具有高效、快速、全自動(dòng)、全天候和高精度等優(yōu)越性能而成為大型土木工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的首選。本文針對(duì)基于GPS技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的理論與試驗(yàn)研究： (1)研究了高柔大跨結(jié)構(gòu)的控制荷載一風(fēng)荷載。將靜態(tài)離散小波變換引入到脈動(dòng)

2、風(fēng)速的分析中，解決了傳統(tǒng)離散小波變換系數(shù)因下采樣造成樣本過(guò)少而無(wú)法統(tǒng)計(jì)分析的缺陷。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)風(fēng)速與用傳統(tǒng)的諧波疊加法得到的模擬風(fēng)速的小波系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，證實(shí)了傳統(tǒng)模擬方法不能反映湍流的間歇性及局部自相似性。采用連續(xù)小波變換對(duì)風(fēng)速和風(fēng)壓進(jìn)行了小波量圖與小波相干分析，分析了它們的瞬時(shí)時(shí)頻特性關(guān)系，針對(duì)小波相干分析中由于噪聲引起的偽相干現(xiàn)象建立了基于蒙特卡羅的統(tǒng)計(jì)顯著性水平估計(jì)方法，有效地分離出了真實(shí)相干成分。推導(dǎo)出了小波系數(shù)的能量與目

3、標(biāo)風(fēng)速譜的關(guān)系式，利用對(duì)數(shù)泊松模型來(lái)產(chǎn)生各尺度的小波系數(shù)，通過(guò)對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行多尺度重構(gòu)，建立了基于靜態(tài)離散小波逆變換的脈動(dòng)風(fēng)速模擬方法。結(jié)果表明，本文方法得到的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)特征符合假定條件，且由于靜態(tài)離散小波逆變換避免了傳統(tǒng)離散小波逆變換所必需的上采樣，減少了模擬的工作量。 (2)提出了一種基于自適應(yīng)噪聲抵消與小波濾波相結(jié)合的GPS多路徑誤差抑制方法。該方法考慮了噪聲的頻帶分布特征，對(duì)于低頻且具有日相關(guān)性的多路徑信號(hào)，采用自適應(yīng)噪聲

4、抵消進(jìn)行消除；對(duì)于不相關(guān)的高頻噪聲，則通過(guò)小波多分辨率分解，對(duì)作用閾值后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，最終得到真實(shí)的變形信號(hào)。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波器與驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，這種聯(lián)合消噪方法比單一濾波方式更加合理有效。 (3)提出了一種基于小波與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的GPS周跳探測(cè)與修復(fù)兩步法。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法對(duì)雙差模型可準(zhǔn)確探測(cè)出0.5周以上的周跳；對(duì)比研究了簡(jiǎn)單的線性網(wǎng)絡(luò)與較復(fù)雜的改進(jìn)的 BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)周跳修復(fù)的能力，發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)對(duì)1周以上

5、的周跳均能進(jìn)行有效地修復(fù)，且該方法只需使用載波相位觀測(cè)值，不需要載波相位變化率值，較傳統(tǒng)的多項(xiàng)式擬和法更具實(shí)用價(jià)值。 (4)研究了基于小波脊與小波骨架的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，針對(duì)小波變換中遇到的邊端效應(yīng)問(wèn)題，提出了基于ARMA模型的預(yù)測(cè)延拓的方法，通過(guò)對(duì)用隨機(jī)減量法提取出的結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行建模、延拓，將預(yù)測(cè)出的信號(hào)賦予原信號(hào)的兩端，使得小波變換在原信號(hào)兩端不完整的小波系數(shù)位于預(yù)測(cè)出的信號(hào)中，有效地保護(hù)了原始信號(hào)，并以ASCE

6、提供的Benchmark模型為例進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了方法的有效性。為了研究小波對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的分析與識(shí)別能力，對(duì)一個(gè)三層鋼筋混凝土框架一剪力墻模型地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了不同小波中心頻率下的小波譜分析，信號(hào)能量累積、能量累積變化率與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化的關(guān)系分析。提出了小波傳遞函數(shù)的方法并將其用于不同加載工況后結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的求解。結(jié)果表明，該方法可定性得到結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的退化趨勢(shì)。 (5)對(duì)大連世貿(mào)大廈建立了完整的空間三維有限

7、元模型，進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了大廈的模態(tài)參數(shù)，該模型經(jīng)適當(dāng)修正后，可以作為基準(zhǔn)有限元模型，為大廈以后的使用、維護(hù)、狀態(tài)評(píng)估與健康監(jiān)測(cè)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。從結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求和超高層建筑的特點(diǎn)出發(fā)，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)包括結(jié)構(gòu)位移和加速度響應(yīng)，環(huán)境荷載等監(jiān)測(cè)內(nèi)容的大連世貿(mào)大廈結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和共享方案，以及測(cè)點(diǎn)的選擇原則與布設(shè)方法等。重點(diǎn)研究了傳感器的優(yōu)化布置方法

8、，考慮到結(jié)構(gòu)的自由度較多，優(yōu)化布置時(shí)需選取多階振型，但根據(jù)振型質(zhì)量參與系數(shù)很難準(zhǔn)確選擇出弱軸方向的高階振型?；诘刃偠葏?shù)識(shí)別法，本文提出先將有限元模型先簡(jiǎn)化為串聯(lián)多自由度體系，然后根據(jù)簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)來(lái)計(jì)算弱軸方向振型矩陣的方法，有效地解決了這一問(wèn)題。對(duì)計(jì)算得到的振型矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣進(jìn)行QR分解，獲得了傳感器的初始布置方案，然后以MAC矩陣的最大非對(duì)角元為目標(biāo)函數(shù)，采用逐步累積算法逐步增加可降低此初始布置MAC非對(duì)角元的結(jié)構(gòu)自由度，

9、并考慮經(jīng)濟(jì)性因素，確定出了大廈加速度傳感器的最終配置方案。 (6)考慮到GPS接收機(jī)的點(diǎn)位輸出格式為WGS-84下的大地坐標(biāo)，而工程需要的是沿著大廈主軸方向的局部坐標(biāo)。本文采用高斯一克呂格投影首先將WGS-84大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)，然后利用三參數(shù)法推導(dǎo)出了高斯平面直角坐標(biāo)與大連世貿(mào)大廈建筑相對(duì)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式，并進(jìn)行了程序?qū)崿F(xiàn)。采用靜態(tài)相對(duì)定位方式，精確確定出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)?；谀峥固夭蓸佣ɡ?，確定出了大廈動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)