基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)的安全性一直是備受關(guān)注的問題。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長以及人民生活水平的不斷提高，基礎(chǔ)建設(shè)的規(guī)模日益擴大，一大批工程結(jié)構(gòu)，尤其是大型公共建筑、大跨度橋梁、大型水利樞紐以及海洋平臺等得到興建。這些重大工程結(jié)構(gòu)一旦遭遇突發(fā)性的偶然荷載（如地震、爆炸、臺風(fēng)等）很可能會造成嚴(yán)重的損壞，從而引起巨大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，保障它們的安全運營具有重要的社會、經(jīng)濟意義。另外，目前有相當(dāng)數(shù)量的舊有在役工程結(jié)構(gòu)，隨著服役時間的增長，不可避免地受

2、到環(huán)境荷載、疲勞、腐蝕、老化等因素的影響，從而導(dǎo)致其產(chǎn)生累積損傷和一定的安全隱患。因此，這類結(jié)構(gòu)同樣需要適當(dāng)?shù)募夹g(shù)或方法以對其安全性做出準(zhǔn)確及時的評定。而基于振動的結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)目前認為是實現(xiàn)上述目標(biāo)的最佳途徑，其主要通過從結(jié)構(gòu)振動信號中提取出具有明確物理意義的損傷信息（指標(biāo)）來對結(jié)構(gòu)整體的損傷（安全）狀態(tài)進行監(jiān)測、識別、評估和風(fēng)險預(yù)警。在過去二十年里，損傷識別技術(shù)發(fā)展迅速，取得了大量有價值的成果，但如何確定能滿足預(yù)期特性要求的損傷指

3、標(biāo)一直是該技術(shù)發(fā)展中的難點，也是研究人員不懈追求的目標(biāo)。
　　本文綜合應(yīng)用信號處理、系統(tǒng)辨識及波動理論的基本技術(shù)原理，探討具有時變特性的損傷指標(biāo)的建立方法，主要開展的工作包括：
　?。?）基于反應(yīng)預(yù)測的結(jié)構(gòu)損傷識別方法。在相同的外界激振下，結(jié)構(gòu)的彈性（無損傷狀態(tài)）反應(yīng)和彈塑性（有損傷狀態(tài)）反應(yīng)有明顯差異，將此差異進行適當(dāng)處理后可用來提取損傷指標(biāo)。論文首先利用結(jié)構(gòu)彈性（無損傷）狀態(tài)下的頻響函數(shù)預(yù)測相應(yīng)彈塑性（有損傷）狀態(tài)下的結(jié)

4、構(gòu)反應(yīng)，然后用小波變換技術(shù)對彈塑性（有損傷）狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的預(yù)測反應(yīng)和實際反應(yīng)的差值進行適當(dāng)處理，最后根據(jù)處理后的信號的能量算子來定義損傷指標(biāo)。通過四個算例證明：該方法不僅可以判斷結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生時間及位置，而且可以揭示損傷的發(fā)展過程。
　?。?）基于瞬時波數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識別方法。根據(jù)波動理論，波數(shù)是剛度和質(zhì)量的函數(shù)，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生損傷，必將引起相應(yīng)位置波數(shù)的變化。因此，可將波數(shù)作為判斷結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的指標(biāo)。論文從波動理論出發(fā)，首先推導(dǎo)了波數(shù)

5、的計算過程，然后建立了利用時變VARMA模型識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)并計算瞬時波數(shù)的方法，最后將瞬時波數(shù)作為指標(biāo)來評判結(jié)構(gòu)的損傷情況。同樣，論文通過四個算例驗證了該方法的適用性。
　　論文從振動信號信息提取的角度提出了兩個具有時變特性的損傷指標(biāo)以進行結(jié)構(gòu)損傷識別的嘗試與探索。分析結(jié)果表明，兩個指標(biāo)具有較好的適用性、損傷敏感性和抗噪性，能較為精細地揭示結(jié)構(gòu)損傷（包括多處損傷）的發(fā)生時間、先后次序、嚴(yán)重程度及累積發(fā)展過程等細節(jié)，這為其與結(jié)構(gòu)