基于能量指標(biāo)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著社會(huì)發(fā)展、科技進(jìn)步以及人們對(duì)安全需求的提升，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別吸引了眾多學(xué)者的目光，已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。土木工程結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)對(duì)保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全有著重大的作用，開(kāi)展這方面的研究具有重要的意義。
　　 現(xiàn)有的基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法主要是頻域的，在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性。
　　 時(shí)域損傷識(shí)別方法，利用時(shí)域測(cè)量信號(hào)，直接在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行損傷識(shí)別，不需要完備的模態(tài)信息，不會(huì)丟失信號(hào)的時(shí)域信息，有利于應(yīng)用在實(shí)時(shí)

2、、在線的健康監(jiān)測(cè)中；
　　 基于能量的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，將局部的損傷信息與結(jié)構(gòu)局部能量的變化聯(lián)系起來(lái)，對(duì)損傷更為敏感，而且不需要陣型求解、結(jié)構(gòu)建模?；诖?，本論文在國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 50378041，50778077）的資助下，進(jìn)行了基于能量指標(biāo)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別理論與試驗(yàn)研究。
　　 本文在如下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究，綜合應(yīng)用理論分析、數(shù)值模擬以及試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，取得了一些結(jié)論和成果：
　　 (1)統(tǒng)計(jì)矩實(shí)質(zhì)上

3、是一種時(shí)域能量指標(biāo)，具有很好的抗噪聲干擾能力，對(duì)剪切型結(jié)構(gòu)效果很好，但是不適合彎曲型結(jié)構(gòu)。為此，針對(duì)彎曲型梁結(jié)構(gòu)，提出了損傷識(shí)別兩步法：先識(shí)別損傷單元位置，再針對(duì)已識(shí)別的損傷單元利用模型修正得到其損傷程度。同時(shí)提出了位移4 階統(tǒng)計(jì)矩曲率指標(biāo)，用來(lái)完成損傷定位工作。數(shù)值算例表明，位移4 階統(tǒng)計(jì)矩曲率指標(biāo)具有很好的定位能力，該方法可以有效識(shí)別彎曲型結(jié)構(gòu)的損傷，具有很好的抗噪能力。
　　 (2)提出了基于加速度測(cè)試數(shù)據(jù)的動(dòng)能密度指標(biāo)，

4、并建立了損傷識(shí)別方法。利用該方法進(jìn)行了簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的損傷定位，結(jié)合彎曲彈簧模型，識(shí)別了梁的裂紋深度。針對(duì)動(dòng)能密度指標(biāo)的局限性，利用基線修正、小波包變換等技術(shù)對(duì)該方法進(jìn)行修正。通過(guò)連續(xù)梁數(shù)值模擬和一空間鋼框架的試驗(yàn)，證明了該方法的損傷識(shí)別能力及抗噪能力。
　　 (3)結(jié)合一懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論推導(dǎo)表明：應(yīng)變變化與結(jié)構(gòu)的損傷單元位置一一對(duì)應(yīng)，局部的損傷僅能引起對(duì)應(yīng)部位應(yīng)變的變化，遠(yuǎn)離損傷地方的應(yīng)變不發(fā)生變化；而位移則不具備此特性，一處

5、的損傷可以引起另一處位移的很大變化。因此，應(yīng)變類參數(shù)非常適合于損傷定位。
　　 (4)提出了基于結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)的偽比能指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確地指示結(jié)構(gòu)的損傷部位。
　　 通過(guò)缺口平滑擬合（GSM）技術(shù)，可以通過(guò)損傷后的偽比能曲線擬合出未損傷的偽比能指標(biāo)值，這樣，該方法就不需要未損傷時(shí)的信息作為基準(zhǔn)，這對(duì)于大部分現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別意義重大。另外，發(fā)展了統(tǒng)計(jì)偽比能指標(biāo)與偽比能灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)指標(biāo)，拓展了偽比能指標(biāo)的形式，提高了其識(shí)別效力。

6、通過(guò)與遺傳算法的結(jié)合，該方法可以在識(shí)別出損傷位置的基礎(chǔ)上定量得到損傷單元的損傷程度，與傳統(tǒng)的單一優(yōu)化算法相比，該方法大大降低了計(jì)算時(shí)間，提高了識(shí)別效率。
　　 (5)小波（包）變換是進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理的強(qiáng)大工具，原始測(cè)試信號(hào)通過(guò)小波（包）分解與重構(gòu)，選擇其中最有效的信號(hào)成分，可以提高信號(hào)對(duì)損傷的敏感性、剔除引發(fā)誤判的潛在因素，同時(shí)可以降低噪聲的影響。
　　 (6)通過(guò)理論推導(dǎo)表明，壓電薄膜能夠用于一維梁結(jié)構(gòu)、二維板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)