結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的傳感器優(yōu)化布置與損傷識(shí)別研究.pdf

1、大型高聳大跨建筑結(jié)構(gòu)遇到自然或者人為災(zāi)害時(shí)，諸多薄弱環(huán)節(jié)會(huì)引起巨大的安全隱患。利用基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)手段，能夠定期或?qū)崟r(shí)了解建筑結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)災(zāi)變過(guò)程，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的潛在危險(xiǎn)提供安全預(yù)警，并根據(jù)采集信息制定快速、穩(wěn)妥、周密、有效的防護(hù)、補(bǔ)救措施，保證結(jié)構(gòu)在施工與服役期問(wèn)的安全運(yùn)營(yíng)。本文針對(duì)基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)噪聲干擾問(wèn)題，圍繞傳感器布置方法與損傷識(shí)別算法的計(jì)算精度與抗噪聲干擾能力，開(kāi)展了一系列研究。首先

2、針對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)測(cè)試中的大型建筑結(jié)構(gòu)的三維加速度傳感器的布置問(wèn)題進(jìn)行了討論，提出了基于小生境蛙跳算法的三維加速度傳感器優(yōu)化布置方法(MFLA)。然后，針對(duì)復(fù)雜噪聲對(duì)損傷識(shí)別過(guò)程的不良影響，提出了基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的AMUSE（盲源分離）損傷識(shí)別方法。針對(duì)噪聲條件下基于環(huán)境激勵(lì)的多層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線(xiàn)損傷識(shí)別問(wèn)題，提出了基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動(dòng)荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識(shí)別方法。全文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)對(duì)大型結(jié)構(gòu)的三維加速度

3、傳感器的布置問(wèn)題進(jìn)行了深入的討論，提出了基于小生境蛙跳算法的三維加速度傳感器優(yōu)化布置方法。建立了考慮傳感器采集數(shù)據(jù)的線(xiàn)性獨(dú)立性、冗余性、計(jì)算精度、抗噪性的目標(biāo)函數(shù)。為了加強(qiáng)算法的計(jì)算精度與計(jì)算效率，分別提出了基于基因重組個(gè)體的種群生成方法、小生境構(gòu)造、梯度式局部搜索等過(guò)程。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)近年來(lái)主流的傳感器優(yōu)化布置方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，本文提出的MFLA較其他幾種算法在計(jì)算效率與計(jì)算精度上有一定程度的提高。
　　(2)針對(duì)

4、噪聲對(duì)損傷識(shí)別過(guò)程的不良影響，提出了基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的AMUSE損傷識(shí)別方法。對(duì)AMUSE算法的過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)該方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化與嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。提出“可逆模態(tài)波”等概念，將結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息用波的角度，翻譯轉(zhuǎn)換成一條可逆模態(tài)波。將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)信息與噪聲信息看作為相互獨(dú)立隨機(jī)變量的信號(hào)源，對(duì)其進(jìn)行奇異值分解式盲源分離，并給出關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與理論證明。結(jié)合工程實(shí)例，模擬了復(fù)雜噪聲采集條件。分別測(cè)試在無(wú)噪聲條件下、有噪聲條件下時(shí)

5、利用傳統(tǒng)的EMSDI方法（單元模態(tài)應(yīng)變損傷指數(shù)）與本文提出的AMUSE損傷識(shí)別方法的損傷識(shí)別效果。結(jié)果顯示，EMSDI方法在噪聲環(huán)境下不能得到預(yù)期的損傷識(shí)別效果，而使用本文提出的AMUSE損傷識(shí)別方法能夠滿(mǎn)足最基本的損傷識(shí)別要求，為復(fù)雜噪聲監(jiān)測(cè)條件下的損傷識(shí)別問(wèn)題提供了一個(gè)可行的方案。
　　(3)針對(duì)噪聲條件下基于環(huán)境激勵(lì)的多層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線(xiàn)損傷識(shí)別問(wèn)題，提出了基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動(dòng)荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識(shí)別方法。通過(guò)

6、位移重構(gòu)技術(shù)與數(shù)值微分、將采集到的加速度數(shù)據(jù)重構(gòu)成損傷識(shí)別計(jì)算需要的位移數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)，在解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，最大限度地排除了采集噪聲的影響。結(jié)合多自由度鏈?zhǔn)侥Ｐ团c隨機(jī)荷載理論，進(jìn)行了該損傷識(shí)別理論的拓展與完善。通過(guò)互相關(guān)函數(shù)與白噪聲荷載的數(shù)學(xué)性質(zhì)，在動(dòng)力學(xué)方程中消除了外界激勵(lì)力的影響，從而得出損傷指標(biāo)。在本文方法中，能夠在不影響多層建筑結(jié)構(gòu)正常使用的前提下，利用外界環(huán)境荷載對(duì)多層建筑的隨機(jī)擾動(dòng)所造成的反應(yīng)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。與此同時(shí)

7、，該方法能夠盡可能地將外界噪聲干擾排除，從而增加損傷識(shí)別計(jì)算的抗噪能力與識(shí)別準(zhǔn)確性。
　　(4)結(jié)合實(shí)例，對(duì)多層鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識(shí)別方法中的位移重構(gòu)的效果、損傷識(shí)別計(jì)算的具體過(guò)程、損傷識(shí)別準(zhǔn)確度與抗噪能力進(jìn)行了詳細(xì)地分析與討論。分別討論了簡(jiǎn)單正弦函數(shù)加速度時(shí)程的位移重構(gòu)效果與抗噪能力、單自由度體系在粘滯阻尼下簡(jiǎn)協(xié)強(qiáng)迫振動(dòng)加速度時(shí)程反應(yīng)的位移重構(gòu)效果與抗噪能力。并結(jié)合一個(gè)12層鋼框架模型，對(duì)基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動(dòng)荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)?/p>