基于現(xiàn)場總線的大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、由于大跨空間結(jié)構(gòu)多具有體型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式新穎等特點，其施工和運營階段的安全性備受關(guān)注。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是通過布置在結(jié)構(gòu)上的各種類型傳感器實測的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息，分析得到結(jié)構(gòu)施工和運營階段的工作狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)施工和運營階段安全提供預(yù)警及保證的作用。隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用，傳感器的選型及優(yōu)化布置、數(shù)據(jù)采集與處理、結(jié)構(gòu)健康診斷方法、系統(tǒng)搭建等方面得到不斷的研究和完善。本文在已實施的大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著重討論了基于現(xiàn)場

2、總線的大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)的構(gòu)成及其可靠性、結(jié)構(gòu)整體信息的獲取、傳感器優(yōu)化布置、傳感器失效故障診斷、結(jié)構(gòu)損傷程度識別等方面展開研究。
　　首先，在已實施大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于分散控制和現(xiàn)場總線理論，研究基于現(xiàn)場總線的大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)理論框架?；诂F(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是集中式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的升級版本，具有可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、系統(tǒng)安全、維護成本低等優(yōu)越性，使結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

3、的搭建具有適應(yīng)性、擴展性、模塊化等特點，可為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的搭建提供更為方便、靈活、統(tǒng)一的方法。本文根據(jù)現(xiàn)場總線的優(yōu)越性及已實施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成給出了基于現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分與構(gòu)成形式，根據(jù)傳感器子系統(tǒng)和基本控制單元的故障率及它們的連接形式討論了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，并以深圳萬科中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為例，說明了基于現(xiàn)場總線的萬科中心結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的幾種搭建方式，通過對這幾種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性分析，論證

4、了基于現(xiàn)場總線式的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性高于集中式的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的可靠性隨著分散程度的提高而提高。
　　其次，以結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量值為基礎(chǔ)，提出基于應(yīng)變測量值的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。該方法以較少的應(yīng)變測量值獲取結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布為目標(biāo)，根據(jù)按不同區(qū)域劃分的子結(jié)構(gòu)的相似性，對結(jié)構(gòu)各子結(jié)構(gòu)布置不同數(shù)目的應(yīng)變傳感器，通過校正基準(zhǔn)子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布而獲取結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布，實現(xiàn)基于應(yīng)變測量值的結(jié)構(gòu)整體信息獲取。本文運用主成分分析方法和

5、系統(tǒng)聚類法對最優(yōu)傳感器布置桿件和在桿件上的布置點進行了選擇，運用引入延拓概念的擬合方法對子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進行獲取，并通過校正子結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的方法對其它子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進行獲取，從而獲取結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布。以深圳市福田交通樞紐中心鋼結(jié)構(gòu)為例，運用該方法進行了應(yīng)變傳感器的布置，對基準(zhǔn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分布進行獲取，通過有限元模型輸出的理論值與預(yù)測值的對比，說明該方法對于相似性越高的子結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力分布獲取結(jié)果的誤差越小。
　　

6、再次，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提出加速度傳感器優(yōu)化布置方法與加速度傳感器失效故障診斷方法。該方法為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)有效和可靠運行提供了前提保證，同時為基于現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的前端智能設(shè)備的實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。運用一致性數(shù)據(jù)融合方法，以距離測度作為數(shù)據(jù)融合的融合度，通過對距離測度矩陣、支持度矩陣及綜合支持度的計算，給出最終的融合結(jié)果。加速度傳感器的優(yōu)化布置是以模態(tài)參數(shù)識別的最優(yōu)信息為目標(biāo)，構(gòu)造理論目標(biāo)測量值，通過實測目標(biāo)測量值與理論目標(biāo)

7、測量值的綜合支持度計算，對初步選定的加速度傳感器進行局部優(yōu)化。加速度傳感器的失效故障診斷是綜合硬件冗余和時序冗余的原理，構(gòu)造監(jiān)測同一目標(biāo)的不同時段的加速度傳感器的頻域能量分布矩陣，通過對其進行綜合支持度的計算，識別失效故障的加速度傳感器，并通過融合算法補償該加速度傳感器頻域能量分布，以用于其它正常工作加速度傳感器的失效故障診斷。以一網(wǎng)架有限元模型和國家游泳中心鋼膜結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)實測的加速度時程數(shù)據(jù)分別驗證了加速度傳感器優(yōu)化布置和失效故

8、障診斷方法的有效性和可行性。
　　最后，以應(yīng)變傳感器和加速度傳感器的測量值為基礎(chǔ)，提出一種基于多類型傳感器測量值的結(jié)構(gòu)損傷程度識別方法。該方法充分利用了兩種不同特性的傳感器測量值，一種是反映結(jié)構(gòu)局部特性的，一種是反映結(jié)構(gòu)整體特性的，從不同角度對結(jié)構(gòu)損傷程度進行識別，并提高信息的完整性，為結(jié)構(gòu)損傷識別提供了更多的已知數(shù)據(jù)。本文給出兩種基于多類型傳感器測量值的結(jié)構(gòu)損傷程度方法，第一種是根據(jù)應(yīng)變傳感器和加速度傳感器的測量值對結(jié)構(gòu)損傷程度