受控結(jié)構(gòu)的損傷識別及振動控制與健康監(jiān)測一體化.pdf

1、近年來,大量的研究關(guān)注了結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測在地震與臺風(fēng)等自然災(zāi)害條件下的應(yīng)用與發(fā)展。本文研究內(nèi)容將著眼于以下兩個方面:研究受控結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法;基于該結(jié)構(gòu)損傷識別方法構(gòu)造結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測的一體化系統(tǒng)。通過以上研究可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動控制系統(tǒng)和健康監(jiān)測系統(tǒng)的一體化,這對于實際工程應(yīng)用將更加經(jīng)濟,且能加強系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動控制性能和結(jié)構(gòu)損傷識別性能并有利于創(chuàng)造智能化結(jié)構(gòu),具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。本論文主要內(nèi)容包括以下幾個方面

2、:
　　(1)針對安裝有半主動摩擦阻尼器控制裝置的受控結(jié)構(gòu)提出了一種新的系統(tǒng)識別和損傷識別的方法。該方法基于運用半主動摩擦阻尼器和結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的模型修正技術(shù)。通過半主動摩擦阻尼器提供的附加剛度,創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)的兩種狀態(tài):沒有任何附加剛度的原結(jié)構(gòu);擁有已知附加剛度的結(jié)構(gòu)。考慮到剪切型結(jié)構(gòu)剛度矩陣的組成特點和結(jié)構(gòu)參數(shù)的轉(zhuǎn)換特性,提出了一種基于上述兩種結(jié)構(gòu)狀態(tài)的頻響函數(shù)的修正結(jié)構(gòu)剛度矩陣并且識別結(jié)構(gòu)剛度參數(shù)的方法。假定結(jié)構(gòu)在長時間服務(wù)或者遭

3、遇極端事件后受到破壞,運用上述模型修正方法可以得到受損結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)。通過運用上述方法分別識別未損結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù),提出了一個結(jié)構(gòu)損傷識別方案。最后通過一個具體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值算例,驗證了該識別方法在不同的激勵條件下以及測量噪聲干擾下的可行性。
　　(2)論述了基于頻響函數(shù)及控制裝置提供附加剛度的結(jié)構(gòu)損傷識別方法在大底盤結(jié)構(gòu)上的實驗研究。建造了由12層主樓和3層裙樓組成的結(jié)構(gòu)模型以模擬大底盤結(jié)構(gòu)。主樓和裙樓之間的連接處被認為

4、最易受到損傷,因此在實驗中通過改變該連接處的剛度以模擬大底盤結(jié)構(gòu)的損傷。為了模擬由半主動摩擦阻尼器提供的附加剛度,設(shè)計了一個鋼制圓環(huán)彈簧并用于為大底盤結(jié)構(gòu)模型提供附加剛度。通過改變連接剛度,采用偏心輪激振系統(tǒng),附加或不附加圓環(huán)彈簧,對大底盤結(jié)構(gòu)模型進行了8種工況的測試并相應(yīng)地得到了8組頻響函數(shù)。實驗數(shù)據(jù)被用于先前所述基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法以識別結(jié)構(gòu)的損傷(連接剛度的改變)。實驗結(jié)果表明基于頻響函數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法能有效地識別大

5、底盤結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。
　　(3)提出了基于半主動摩擦阻尼器的結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測一體化。首先采用基于半主動摩擦阻尼器提供附加剛度及結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的系統(tǒng)識別方法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行識別和模型修正。接著,依據(jù)修正后的結(jié)構(gòu)參數(shù)矩陣,運用一種帶穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波的局部反饋控制算法對結(jié)構(gòu)進行地震響應(yīng)控制。最后將參數(shù)識別方法分別應(yīng)用于未損結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu),通過比較兩者的物理參數(shù)進行結(jié)構(gòu)損傷識別。通過對一個五層剪切型結(jié)構(gòu)進行的數(shù)值模擬研究,驗證了

6、該結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測一體化系統(tǒng)能很好的識別出結(jié)構(gòu)的水平層剛度,有效地控制結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的峰值和均方根,在測量噪聲干擾下也能較為精確地識別出結(jié)構(gòu)單一損傷或多損傷的損傷位置和損傷程度。
　　(4)針對受控結(jié)構(gòu)提出了一種未知地震作用下的結(jié)構(gòu)時變損傷識別方法。首先,考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)為時不變時,通過假定未知激勵的估計值形式,提出了基于最小二乘估計未知激勵的遞推識別方法。然后,考慮結(jié)構(gòu)所承受的所有外部激勵均為已知時,依據(jù)基于測量數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波

7、增益最優(yōu)性條件,提出了基于擴展卡爾曼濾波的結(jié)構(gòu)時變參數(shù)識別方法。接著,綜合上述研究,提出了未知激勵作用下結(jié)構(gòu)時變損傷的識別方法。具體結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值模擬研究表明,當(dāng)受控結(jié)構(gòu)承受未知地震激勵而發(fā)生損傷時,該方法可以識別出作用于結(jié)構(gòu)上的地震加速度時程,同時準確地捕捉到結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時間,損傷發(fā)生的位置及損傷的程度。
　　(5)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)兩個系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)共享并對主動、半主動控制裝置具有普適性的結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測一體化的時域法。在該

8、結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測一體化系統(tǒng)中,振動控制系統(tǒng)采用MR阻尼器并運用滑動最優(yōu)位移控制方案,健康監(jiān)測系統(tǒng)則采用基于最小二乘估計及擴展卡爾曼濾波的結(jié)構(gòu)時變損傷識別方法。將由力傳感器測得的由控制裝置提供的控制力實時提供給結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)以提高結(jié)構(gòu)損傷識別和結(jié)構(gòu)時變參數(shù)識別的效果,而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)識別的結(jié)構(gòu)時變參數(shù)也被提供給振動控制系統(tǒng)以實時修正控制算法并保持最優(yōu)的控制力。數(shù)值模擬研究表明:該結(jié)構(gòu)振動控制與健康監(jiān)測一體化系統(tǒng)既能有效地降低結(jié)構(gòu)