基于小波與分形理論的斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究.pdf

1、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)是目前橋梁工程界的研究熱點(diǎn)之一，是一個(gè)涉及到多學(xué)科、跨行業(yè)的難點(diǎn)課題。由于橋梁結(jié)構(gòu)及其所處環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性，使得國(guó)內(nèi)外的研究都還處于探索和試用階段。目前，在一些大跨度橋梁上都已安裝了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但其主要用于數(shù)據(jù)采集，而缺乏有效的健康評(píng)價(jià)支撐。本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)小波和分形在處理復(fù)雜非線性問(wèn)題時(shí)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了建立基于小波與分形的斜拉橋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本框架。為此，

2、本文主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作。 1.對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的前提，是需要建立一個(gè)準(zhǔn)確、有效的基準(zhǔn)有限元模型。以靜測(cè)中的位移和動(dòng)測(cè)中的頻率作為狀態(tài)變量，以各項(xiàng)實(shí)測(cè)值與相應(yīng)計(jì)算值的百分比偏差的平方和作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合ANSYS的優(yōu)化分析功能，對(duì)大型橋梁結(jié)構(gòu)的初始有限元模型的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正。修正過(guò)程中引入了約束條件限制各待修正參數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的變化范圍，使得修正后的各參數(shù)具有明確的物理意義。修正后的有限元模型為橋梁健康監(jiān)測(cè)計(jì)算分析

3、提供了更加切合實(shí)際的數(shù)學(xué)模型，也驗(yàn)證了采用ANSYS進(jìn)行模型修正的可行性。 2.動(dòng)力監(jiān)測(cè)是健康監(jiān)測(cè)的重要手段之一，在健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立初期對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能進(jìn)行模擬分析是很有必要的。本文綜合考慮了車(chē)橋耦合振動(dòng)、路面不平度、風(fēng)、溫度等對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，為健康監(jiān)測(cè)策略制訂提供了切合實(shí)際的理論分析數(shù)據(jù)。 3.在小波分析理論的基礎(chǔ)上，深入剖析了Mallat算法中的頻率混淆現(xiàn)象以及產(chǎn)生小波包頻帶錯(cuò)亂現(xiàn)象的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)算法，有效

4、地消除了頻率混淆和小波包頻帶錯(cuò)亂問(wèn)題。 4.運(yùn)用小波分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行多尺度分析，為小波分析用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。將小波分析方法用于結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別、信號(hào)濾噪、數(shù)據(jù)壓縮與重構(gòu)、監(jiān)測(cè)突變信號(hào)等方面，均取得了較好的效果。 5.運(yùn)用小波方法分析了斜拉橋損傷前后的位移、曲率和應(yīng)變?nèi)N模態(tài)振型，據(jù)此能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷位置和損傷程度。 6.運(yùn)用改進(jìn)的小波分析算法對(duì)健康監(jiān)測(cè)過(guò)程中的信號(hào)進(jìn)行了深

5、入分析，發(fā)現(xiàn)小波能量分布與結(jié)構(gòu)的自振特性一樣能夠反映結(jié)構(gòu)的固有特性，并且能夠反映結(jié)構(gòu)的局部特性。在小波包分析的基礎(chǔ)上，提出了小波能量互熵作為損傷識(shí)別的指標(biāo)。在應(yīng)用中引入表征各測(cè)點(diǎn)局部特性的權(quán)重系數(shù)，從而較準(zhǔn)確有效地識(shí)別損傷位置及其程度。 7.針對(duì)小波的強(qiáng)局部分析能力和分形的強(qiáng)非線性處理能力，提出了結(jié)構(gòu)損傷診斷的小波細(xì)節(jié)關(guān)聯(lián)維分析方法。首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包分解，再計(jì)算各小波包的關(guān)聯(lián)維數(shù)，并與健康狀態(tài)下的關(guān)聯(lián)維數(shù)比較，通過(guò)損傷前后的