面向結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估的監(jiān)測信息多尺度分析方法研究.pdf

1、在重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和狀態(tài)評估過程中，現(xiàn)場產(chǎn)生的不可知因素要比在實驗室或數(shù)值模擬復雜得多，因而獲得穩(wěn)定可靠、規(guī)范化的數(shù)據(jù)用作結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估至關(guān)重要。要達到這個目標，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)有較為深入的認識和理解。本文以香港青馬大橋和江蘇潤揚大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)為研究背景，較為深入地分析、揭示了從橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)的多尺度特征及其物理意義，并在此基礎(chǔ)上探討了橋梁結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)評估中的若干關(guān)鍵問題。 通過對來自青馬大橋和潤揚

2、大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應變監(jiān)測信息的大量考察，發(fā)現(xiàn)動態(tài)應變時程數(shù)據(jù)在三個典型的時間尺度上表現(xiàn)為不同的特征，頻域上的理論和數(shù)據(jù)分析進一步表明，這三個時間尺度的應變信息所對應的截止頻率分別屬于三個不同量級，因而可以通過專門的信號處理方法分離開來。對應于數(shù)量級分別為105sec、103sec和100sec這三個典型時間尺度的三類應變信息分別為截止頻率fc,3=O10-2)Hz的溫度變形的趨勢性變化、fc,2=O(10-1)Hz的火車載荷導致的

3、應變響應和fc,3=O(100)Hz的重車過橋時引起的應變響應。 基于多分辨分析理論與上述動態(tài)監(jiān)測應變信息的多尺度特征之間的相似性，利用小波方法對具有不同時間尺度特征的三類應變信息進行了分離和逐個提取。給出了小波分解的層次確定方式和小波方法分離信息的流程；提出了針對不同尺度的小波系數(shù)閾值確定的“控制發(fā)生概率方法”(簡稱p方法)和“控制噪聲方法”(簡稱n方法)，分別適用于提取103sec和100sec量級的典型時間尺度下的火車載荷

4、相關(guān)部分應變(應變類型2)和卡車相關(guān)的應變抖動(應變類型3)；進而給出了小波提取算法的流程。研究結(jié)果表明，作者給出的基于小波理論的動態(tài)應變監(jiān)測信息處理方法能夠有效地將具有不同時間尺度特征的應變信息進行分離，分離后的數(shù)據(jù)能夠更清楚地比較不同類型大跨橋梁、不同類型傳感器之間的異同；本文給出的小波域閾值處理方法能夠?qū)⒕哂胁煌瑫r間尺度特征的應變信息準確并精確地逐個提取，在足夠精確地復原所需信息的同時極大地壓縮數(shù)據(jù)。 為了方便于對小波分析

5、甚至信號處理不了解的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和分析者們使用于分析數(shù)據(jù)，文中進一步研究并給出了一個能夠在一定程度上替代小波變換的簡便實用的多尺度信息分離方法，其主要步驟為“平均-插值-扣除(Average，Interpolate&Take-out)”，簡記為AIT法。通過將該方法與小波方法進行對比和考察截斷效果，驗證了其有效性。該方法的使用比小波方法簡便、靈活，若輔以直接時域閾值處理也能實現(xiàn)不同尺度特征應變信息的提取。 在對應變監(jiān)測信息的

6、多尺度特征及其分析處理方法研究的基礎(chǔ)上，論文進一步研究了大跨橋梁結(jié)構(gòu)的應力譜分布、三種時間尺度特征應變信息的相互影響及高頻噪聲對應力譜和疲勞狀態(tài)評估的影響。證明了用于疲勞應力譜統(tǒng)計的雨流計數(shù)法的一個重要性質(zhì)；研究結(jié)果表明，已有的一些雨流計數(shù)應力幅密度函數(shù)的形式和計算公式不適合用于分析大跨橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)輸出的應變監(jiān)測數(shù)據(jù)；屬于不同時間尺度的三類應變在計算疲勞損傷狀態(tài)時不會發(fā)生耦合作用；但噪聲會與較大尺度的應變發(fā)生耦合作用，使得應變幅