基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法與應(yīng)用研究.pdf

1、新世紀(jì)土木工程學(xué)科面臨許多重大的科學(xué)研究問題。如何分析工程結(jié)構(gòu)的損傷、災(zāi)害演化規(guī)律，如何監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康和安全狀態(tài)，以及如何評估結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測所要研究解決的問題，也是世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域的前沿課題之一。損傷診斷是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中從硬件到軟件、從事實(shí)到判斷的關(guān)鍵一環(huán)。本文以潤揚(yáng)長江大橋南漢懸索橋?yàn)檠芯繉ο?，圍繞火跨懸索橋結(jié)構(gòu)損傷診斷這個(gè)主題，遵循“理論研究——試驗(yàn)（數(shù)值）研究——應(yīng)用研究”的步驟，系統(tǒng)地開展了基于統(tǒng)計(jì)模式

2、識(shí)別的大跨懸索橋結(jié)構(gòu)損傷診斷的理論、方法與應(yīng)用研究，并將研究成果應(yīng)用于潤揚(yáng)大橋懸索橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)。本文的主要工作和成果如下： 1、基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別技術(shù)提出了一種新的結(jié)構(gòu)損傷敏感指標(biāo)DSPR及其算法程序。主要內(nèi)容是：①將結(jié)構(gòu)損傷診斷在統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的理論框架下歸納為四個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理、系統(tǒng)建模、特征提取與統(tǒng)計(jì)判別：②運(yùn)用時(shí)序分析方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型，建立了表征結(jié)構(gòu)狀態(tài)的模式向量：③對模式向量進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)了模式

3、向量到特征向量的信息凝聚：④對特征向量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判別，提出了一種新的結(jié)構(gòu)損傷敏感指標(biāo)DSPR；⑤通過假設(shè)檢驗(yàn)DSPR指標(biāo)在損傷前后的變化，實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的損傷診斷，建立了本文方法完整的算法程序。 2、對環(huán)境激勵(lì)下Benchmark結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)損傷敏感指標(biāo)DSPR及其算法程序提供試驗(yàn)驗(yàn)證。主要內(nèi)容是：①選擇環(huán)境激勵(lì)下Benchmark結(jié)構(gòu)損傷試驗(yàn)從微小損傷到嚴(yán)重?fù)p傷的各種工況進(jìn)行分析：②考察損傷敏感指標(biāo)對結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的預(yù)警

4、能力；③考察損傷敏感指標(biāo)對結(jié)構(gòu)損傷程度的識(shí)別能力。研究結(jié)果表明，本文方法對Benchmark結(jié)構(gòu)的健康與損傷狀態(tài)具有穩(wěn)定的識(shí)別能力，在微小損傷出現(xiàn)時(shí)也能有效辨識(shí)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的異常。同時(shí)，該指標(biāo)對Benchmark結(jié)構(gòu)的損傷程度也具有一定的識(shí)別能力，能根據(jù)其損傷程度的不同給出相應(yīng)的報(bào)警閾值。 3、對潤揚(yáng)大橋懸索橋基準(zhǔn)有限模型進(jìn)行損傷分析，為結(jié)構(gòu)損傷敏感指標(biāo)DSPR及其算法程序提供數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證。主要內(nèi)容是：①完整地闡述了大跨懸索橋基

5、準(zhǔn)有限元模型的建模技術(shù)，給出了懸索橋結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)值模擬方法；②從損傷敏感性的角度考察DSPR能否有效識(shí)別主纜、吊索、鋼箱梁的損傷：③從噪聲魯棒性的角度考察DSPR能否有效識(shí)別不同信噪比條件下主纜、吊索、鋼箱梁的結(jié)構(gòu)損傷。研究結(jié)果表明，本文方法能有效識(shí)別頻率相對變化2％以下主纜的各種損傷程度，對于吊索、鋼箱梁在頻率相對變化1％以下的損傷均能做到有效預(yù)警。噪聲魯棒性方面，該方法在噪聲干擾下對絕大多數(shù)損傷工況的識(shí)別能力最強(qiáng)可達(dá)5dB，具有良好

6、的抗噪聲干擾能力。 4、將本文提出的結(jié)構(gòu)損傷敏感指標(biāo)DSPR及其算法，應(yīng)用于潤揚(yáng)大橋懸索橋?qū)崪y動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境激勵(lì)下懸索橋結(jié)構(gòu)正常運(yùn)營、突發(fā)事件兩類典型工況的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測。主要研究成果是：①正常運(yùn)營條件下獲得的結(jié)構(gòu)振動(dòng)DSPR曲線，反映了每日溫度變化和交通流量的綜合影響，DSPR的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)值穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)，可作為日常監(jiān)測的有效控制閾值；②臺(tái)風(fēng)激勵(lì)前后獲得的結(jié)構(gòu)振動(dòng)DSPR曲線，可有效識(shí)別外界強(qiáng)烈激勵(lì)條件下結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變