基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)的安全性一直是備受關(guān)注的問(wèn)題。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)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(kuò)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(tái)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(tái)風(fēng)等）很可能會(huì)造成嚴(yán)重的損壞，從而引起巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，保障它們的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(shí)間的增長(zhǎng)，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(duì)其安全性做出準(zhǔn)確及時(shí)的評(píng)定。而基于振動(dòng)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)目前認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的最佳途徑，其主要通過(guò)從結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)中提取出具有明確物理意義的損傷信息（指標(biāo)）來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的損傷（安全）狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別、評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。在過(guò)去二十年里，損傷識(shí)別技術(shù)發(fā)展迅速，取得了大量有價(jià)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(diǎn)，也是研究人員不懈追求的目標(biāo)。
　　本文綜合應(yīng)用信號(hào)處理、系統(tǒng)辨識(shí)及波動(dòng)理論的基本技術(shù)原理，探討具有時(shí)變特性的損傷指標(biāo)的建立方法，主要開(kāi)展的工作包括：
　?。?）基于反應(yīng)預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。在相同的外界激振下，結(jié)構(gòu)的彈性（無(wú)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(jìn)行適當(dāng)處理后可用來(lái)提取損傷指標(biāo)。論文首先利用結(jié)構(gòu)彈性（無(wú)損傷）狀態(tài)下的頻響函數(shù)預(yù)測(cè)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(duì)彈塑性（有損傷）狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)反應(yīng)和實(shí)際反應(yīng)的差值進(jìn)行適當(dāng)處理，最后根據(jù)處理后的信號(hào)的能量算子來(lái)定義損傷指標(biāo)。通過(guò)四個(gè)算例證明：該方法不僅可以判斷結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生時(shí)間及位置，而且可以揭示損傷的發(fā)展過(guò)程。
　　（2）基于瞬時(shí)波數(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。根據(jù)波動(dòng)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(dòng)理論出發(fā)，首先推導(dǎo)了波數(shù)

5、的計(jì)算過(guò)程，然后建立了利用時(shí)變VARMA模型識(shí)別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)并計(jì)算瞬時(shí)波數(shù)的方法，最后將瞬時(shí)波數(shù)作為指標(biāo)來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)的損傷情況。同樣，論文通過(guò)四個(gè)算例驗(yàn)證了該方法的適用性。
　　論文從振動(dòng)信號(hào)信息提取的角度提出了兩個(gè)具有時(shí)變特性的損傷指標(biāo)以進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的嘗試與探索。分析結(jié)果表明，兩個(gè)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(xì)地揭示結(jié)構(gòu)損傷（包括多處損傷）的發(fā)生時(shí)間、先后次序、嚴(yán)重程度及累積發(fā)展過(guò)程等細(xì)節(jié)，這為其與結(jié)構(gòu)