未知荷載下基于靈敏度分析的結(jié)構(gòu)時(shí)域損傷識(shí)別.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)安全以及可靠度評(píng)估方面等起著重要作用，結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別作為土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要方面，其研究已得到了極大發(fā)展，其中基于時(shí)域振動(dòng)信號(hào)的損傷識(shí)別方法受到越來(lái)越多的重視與研究。針對(duì)傳統(tǒng)的時(shí)域損傷識(shí)別方法存在輸入信息難以測(cè)量、輸出數(shù)據(jù)不完備以及測(cè)量噪音對(duì)識(shí)別精度的影響等困難及局限性，本文基于國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973課題“動(dòng)態(tài)時(shí)空環(huán)境效應(yīng)下的地下結(jié)構(gòu)健康診斷與服役性能預(yù)知理論”(2011CB013804)和國(guó)家自然科學(xué)

2、基金項(xiàng)目“基于逆向子結(jié)構(gòu)的有限元模型修正方法”(51108205)，在狀態(tài)空間域內(nèi)，對(duì)輸入未知、輸出數(shù)據(jù)不完整情況下進(jìn)行時(shí)域結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別研究，綜合理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，開(kāi)展了四個(gè)方面的研究工作：
　　⑴提出了在狀態(tài)空間域內(nèi)基于動(dòng)力響應(yīng)靈敏度分析的時(shí)域損傷識(shí)別方法。此方法僅利用少數(shù)測(cè)量動(dòng)力響應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷位置和程度的同時(shí)識(shí)別。首先，將運(yùn)動(dòng)微分方程表示為狀態(tài)空間域內(nèi)基于馬爾科夫系數(shù)矩陣的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)表達(dá)式，推導(dǎo)了狀態(tài)

3、空間域內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)關(guān)于結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠刃拚齾?shù)的一階導(dǎo)數(shù)，形成了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)靈敏度矩陣的顯式表達(dá)式。然后，采用基于靈敏度分析的模型修正方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別研究。以一簡(jiǎn)支梁為數(shù)值算例，首先，采用本章提出的方法計(jì)算了在狀態(tài)空間域內(nèi)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力響應(yīng)靈敏度，并通過(guò)與Newmark法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的正確性；然后，從采樣頻率、測(cè)量響應(yīng)類型、損傷單元數(shù)量以及測(cè)量噪音四個(gè)方面進(jìn)行分析，對(duì)影響基于靈敏度分析的損傷識(shí)別方法精度的因素進(jìn)行了詳細(xì)探討

4、，驗(yàn)證了狀態(tài)空間域內(nèi)該方法的正確性和穩(wěn)定性。
　?、茖顟B(tài)空間域內(nèi)基于動(dòng)力響應(yīng)靈敏度分析的損傷識(shí)別算法和響應(yīng)重構(gòu)方法結(jié)合，利用少數(shù)測(cè)量動(dòng)力響應(yīng)即可實(shí)現(xiàn)未知固定荷載下結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別。首先，推導(dǎo)了狀態(tài)空間域內(nèi)基于馬爾科夫系數(shù)傳遞矩陣的響應(yīng)重構(gòu)方法，引入正則化技術(shù)對(duì)重構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行修正。然后，推導(dǎo)了重構(gòu)響應(yīng)關(guān)于結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠刃拚齾?shù)的一階導(dǎo)數(shù)，形成了結(jié)構(gòu)重構(gòu)響應(yīng)靈敏度矩陣的顯式表達(dá)式，以重構(gòu)響應(yīng)和測(cè)量響應(yīng)的殘差作為目標(biāo)函數(shù)，采用基于動(dòng)力響

5、應(yīng)靈敏度分析的模型修正方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行未知荷載作用下的損傷識(shí)別研究。狀態(tài)空間域內(nèi)結(jié)構(gòu)時(shí)域響應(yīng)重構(gòu)方法可以無(wú)需結(jié)構(gòu)未知的外界激勵(lì)，僅采用少數(shù)已測(cè)位置的動(dòng)力響應(yīng)，通過(guò)傳遞矩陣對(duì)結(jié)構(gòu)不易測(cè)量位置或目標(biāo)位置的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行重構(gòu)，可解決時(shí)域損傷識(shí)別中輸入輸出數(shù)據(jù)不完備的問(wèn)題。通過(guò)數(shù)值算例和一懸臂梁試驗(yàn)，驗(yàn)證了狀態(tài)空間域內(nèi)基于傳遞矩陣的響應(yīng)重構(gòu)損傷識(shí)別方法的正確性。
　　⑶在狀態(tài)空間域內(nèi)，引入移動(dòng)荷載的切比雪夫多項(xiàng)式逼近，結(jié)合有限元單元形函數(shù)概念

6、，使任一時(shí)刻的移動(dòng)荷載等效為單元節(jié)點(diǎn)荷載，進(jìn)行了未知移動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)損傷和移動(dòng)力同時(shí)識(shí)別。首先，將多項(xiàng)式正交系數(shù)和單元?jiǎng)偠葏?shù)同時(shí)作為識(shí)別過(guò)程的修正參數(shù)，分別推導(dǎo)了狀態(tài)空間域內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)關(guān)于結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)偠刃拚齾?shù)和移動(dòng)力多項(xiàng)式正交系數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，形成了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)聯(lián)合靈敏度矩陣的顯式表達(dá)式。然后，采用基于靈敏度分析的模型修正方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別研究。通過(guò)移動(dòng)荷載下簡(jiǎn)支梁的數(shù)值算例，分析了動(dòng)力響應(yīng)關(guān)于單元?jiǎng)偠葏?shù)和力的正交參數(shù)靈敏度矩陣，并比

7、較了不同測(cè)量位置、采樣頻率和測(cè)量噪音情況下結(jié)構(gòu)損傷和移動(dòng)力的識(shí)別結(jié)果。最后，利用小車下鋼梁的模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的正確性。
　?、然谇懊嫜芯康奈粗奢d下結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別算法，結(jié)合時(shí)域子結(jié)構(gòu)理論，提出了狀態(tài)空間域內(nèi)未知荷載下子結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的兩種方法。第一種方法中，子結(jié)構(gòu)的界面力和外部激勵(lì)一同作為子結(jié)構(gòu)的未知輸入，將基于轉(zhuǎn)換矩陣的響應(yīng)重構(gòu)方法和時(shí)域子結(jié)構(gòu)方法相結(jié)合，提出了固定荷載作用下時(shí)域子結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別方法，并以三層鋼框架為數(shù)值算例，