小波分析在橋梁健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究.pdf

1、橋梁健康監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代傳感技術(shù)、通信技術(shù)和評(píng)價(jià)體系的結(jié)合，其可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)在環(huán)境和荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，由獲得的各種監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息來(lái)分析橋梁的健康狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)預(yù)警，為橋梁的管理與養(yǎng)護(hù)維修提供科學(xué)依據(jù)。針對(duì)在橋梁健康監(jiān)測(cè)損傷和預(yù)警中可能存在和面臨的問(wèn)題，本文以小波變換為基本分析手段，將其應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)中，從橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試數(shù)據(jù)去噪、模態(tài)參數(shù)識(shí)別、損傷識(shí)別、警情分析等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，研究成果具有一定的

2、工程應(yīng)用價(jià)值。
　　由于各種因素影響，橋梁的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)中往往包含了噪聲信息，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估等帶來(lái)較大的影響，從根本上對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲控制，降低結(jié)構(gòu)分析中由于數(shù)據(jù)受到噪聲干擾而帶來(lái)的影響，是一種可行的方法。首先闡述了利用小波模極大值去噪和小波閾值去噪的原理，然后以一簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)某階模態(tài)振型作為一維信號(hào)，在不同的噪聲水平下分別應(yīng)用兩種去噪方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分解重構(gòu)，根據(jù)對(duì)信號(hào)去噪后的信噪比SNR和均方根誤差RMSE兩個(gè)指標(biāo)信

3、息的分析，說(shuō)明了兩種方法均能明顯降低模態(tài)振型信號(hào)的噪聲強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比分析，指出小波閾值去噪方法較小波模極大值去噪方法更為簡(jiǎn)單高效，是更適合于橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)降噪的方法。
　　探討了應(yīng)用復(fù)Morlet小波變換對(duì)結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行小波變換，從其小波變換系數(shù)的時(shí)間-尺度圖所含的信息，進(jìn)一步得到其模和相位，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別，并通過(guò)對(duì)一簡(jiǎn)支梁在穩(wěn)態(tài)白噪聲激勵(lì)下的數(shù)值模擬分析和某橋?qū)嶋H環(huán)境振動(dòng)

4、試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了方法的有效性，結(jié)果還表明在結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)較為密集的時(shí)候，提高復(fù)Morlet小波分辨率后進(jìn)行分析能起到良好的模態(tài)解耦效果。
　　基于模式識(shí)別的思想，詳細(xì)分析并研究了以結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)小波系數(shù)差 diD作為損傷識(shí)別指標(biāo)的可行性、適用性和噪聲魯棒性。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)在單一損傷、多損傷模式下進(jìn)行了不同損傷程度的分析，大量分析結(jié)果指出，隨著損傷程度的增加，構(gòu)建損傷識(shí)別指標(biāo)所需的模態(tài)階數(shù)也逐漸降低；對(duì)于邊界處損傷單元，提出以信

5、號(hào)擴(kuò)展的方法對(duì)結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)進(jìn)行邊界延拓，使其可以得到完整的邊界處單元損傷識(shí)別指標(biāo)信息；通過(guò)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)多損傷工況的分析，指出由于損傷對(duì)于各部位結(jié)構(gòu)特性影響程度不同，采用diD損傷識(shí)別指標(biāo)進(jìn)行整體識(shí)別時(shí)易出現(xiàn)誤判和漏判現(xiàn)象，提出了基于 diD損傷識(shí)別指標(biāo)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分段識(shí)別方法，并通過(guò)分析驗(yàn)證了分段識(shí)別可以在很大程度上避免誤判和漏判現(xiàn)象。
　　結(jié)構(gòu)的較高階模態(tài)的測(cè)試識(shí)別誤差相對(duì)較大，對(duì)結(jié)構(gòu)弱損傷識(shí)別造成一定影響，針對(duì)diD指標(biāo)的應(yīng)用局限

6、性，提出了一種新的可供參考的損傷識(shí)別指標(biāo)，即柔度曲率小波系數(shù)差的損傷識(shí)別指標(biāo) diC，通過(guò)數(shù)值和仿真算例分析指出以 diC作為損傷識(shí)別指標(biāo)，在結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率相差較大時(shí)，僅需要構(gòu)建結(jié)構(gòu)的低階損傷指標(biāo)，就可以對(duì)結(jié)構(gòu)在發(fā)生弱損傷時(shí)進(jìn)行識(shí)別；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要其振動(dòng)頻率相近的前幾階模態(tài)來(lái)構(gòu)建損傷識(shí)別指標(biāo)；建立了損傷程度與 diC指標(biāo)的回歸關(guān)系以用來(lái)估計(jì)損傷程度；同時(shí)分析了該指標(biāo)的噪聲魯棒性。通過(guò)對(duì)兩種損傷識(shí)別指標(biāo)的分析研究，從損傷程度和結(jié)構(gòu)自身力

7、學(xué)特性的角度分析對(duì)比了diD損傷指標(biāo)和diC損傷指標(biāo)的適用性。
　　根據(jù)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和目的，結(jié)合成本——效益分析，設(shè)計(jì)并建立了陜西省第一個(gè)投入使用的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)；深入探討了橋梁健康監(jiān)測(cè)的警情分析方法，提出橋梁監(jiān)測(cè)警情分析應(yīng)由損傷警情分析和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)警情分析兩部分組成；建立了橋梁監(jiān)測(cè)損傷警情分析模型，并對(duì)某特大連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了信號(hào)采集→損傷預(yù)警→信號(hào)去噪→模態(tài)參數(shù)識(shí)別→損傷識(shí)別指標(biāo)選擇→損傷識(shí)別

8、六個(gè)步驟的全過(guò)程研究，驗(yàn)證了提出的損傷警情分析體系的可行性；建立了橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)警情分析模型，并根據(jù)其思想運(yùn)用C++語(yǔ)言編制了某特大連續(xù)剛構(gòu)橋撓度和應(yīng)力預(yù)警程序。
　　研究了基于小波變換對(duì)反映橋梁狀態(tài)的參數(shù)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，提出將橋梁某一周期內(nèi)的應(yīng)變、撓度作為一維信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換，由小波系數(shù)包含的信息得到了橋梁結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的總體狀態(tài)趨勢(shì)；通過(guò)對(duì)原信號(hào)和其小波系數(shù)的分析，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了重構(gòu)，結(jié)合時(shí)間序列的ARIMA模