空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的理論與試驗研究.pdf

1、空間結(jié)構(gòu)形式新穎豐富并且采用了大量的新材料、新技術(shù)，成為反映一個國家建筑科學(xué)技術(shù)水平的標(biāo)志?？臻g結(jié)構(gòu)所處環(huán)境狀況復(fù)雜，發(fā)生損傷和破壞的潛在危險性較大，對空間結(jié)構(gòu)在建設(shè)和運營期間的健康監(jiān)測、診斷以及各種災(zāi)害影響下的損傷預(yù)測和識別進行研究，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。 本文結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)評估領(lǐng)域國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測問題，包括模型修正、傳感器優(yōu)化布置、損傷識別和信息融合等，進行了深入系統(tǒng)的研究，取得了如下成果：

2、 1.對小波理論在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中基本應(yīng)用的研究。對結(jié)構(gòu)的動力方程進行小波靈敏度分析，得到以加速度表示的靈敏度。通過小波系數(shù)模極大值求得Lipschitz指數(shù)，將其作為衡量突變程度的指標(biāo)，由此可以識別結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的時間。不同損傷狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)節(jié)點振動信號經(jīng)小波包分解后在各頻帶上的投影是不同的，將其作為特征向量可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的損傷程度的識別。 2.對空間結(jié)構(gòu)模型修正的研究。針對訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量樣本的情況，在結(jié)構(gòu)損傷模擬的試

3、驗方案設(shè)計中，選用了均勻設(shè)計法構(gòu)造樣本以減少所需樣本數(shù)量。用遺傳算法優(yōu)化BP網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運算速度。針對空間結(jié)構(gòu)的特點，提出基于子結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的遞推模型修正方法，該方法將結(jié)構(gòu)分解成多層次的子結(jié)構(gòu)，選取適當(dāng)?shù)膿p傷因素實現(xiàn)逐步逐級的修正。提出采用小波頻帶能量作為損傷因素的修正方法。 3.對傳感器優(yōu)化布置的研究。根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可觀性，給出具有重頻的一般空間結(jié)構(gòu)前若干階模態(tài)所需要的最少傳感器數(shù)目的估計方法。提出一種選用F

4、robenius范數(shù)求最大化Fisher信息矩陣的方法，在此基礎(chǔ)上并考慮傳感器優(yōu)化布置的多重標(biāo)準(zhǔn)，提出基于節(jié)點能量和模態(tài)保證準(zhǔn)則的傳感器優(yōu)化布置方法。針對小波智能方法的特點，運用圖論理論，將空間結(jié)構(gòu)或其一部份抽象為有向圖；根據(jù)各桿件的連接關(guān)系確定距離矩陣，運用Floyd算法并綜合考慮結(jié)構(gòu)模態(tài)動能和模態(tài)變形能等參數(shù)，提出一種概念新穎的傳感器優(yōu)化布置方法。 4.關(guān)于空間結(jié)構(gòu)損傷識別方法的理論研究?；谛〔ò纸饧夹g(shù)、“能量—損傷狀態(tài)

5、”的特征提取和支持向量機強大的分類功能，提出一種空間結(jié)構(gòu)損傷識別方法，進而基于小波框架理論和支持向量核函數(shù)的條件，引入非線性小波基函數(shù)來構(gòu)造支持向量機的核函數(shù)，得到一種具有較強泛化能力的緊致型小波支持向量機，提高了該方法的識別效率。提出基于粗糙集和主成分分析的結(jié)構(gòu)損傷特征向量約簡和提取的方法和步驟，進一步提高了該方法的識別精度。 5.對空間結(jié)構(gòu)損傷識別的試驗研究。對一雙橢型單層網(wǎng)殼模型和一單榀張弦梁模型進行環(huán)境脈動下的損傷試驗研

6、究，按本文提出的方法進行傳感器優(yōu)化布置，分析結(jié)果驗證了本文提出的小波支持向量機智能方法對空間結(jié)構(gòu)損傷識別的有效性。對張弦梁的拉索進行試驗研究，通過Fourier變換或小波變換求得索的頻率，可以計算出施加在索上的預(yù)應(yīng)力值，從而實現(xiàn)索力監(jiān)測。 6.對特征層和決策層損傷信息融合的研究。提出空間結(jié)構(gòu)整體支持向量機損傷診斷矩陣、損傷自信息和損傷信息熵的概念。基于模糊集理論、物元理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，研究三種空間結(jié)構(gòu)損傷信息融合方法。算例表明