结构损伤综合诊断理论与试验研究

论文摘要

结构动力损伤识别是当前土木工程领域一个前沿研究课题，与高效率、高精度的信号采集和分析仪器相结合，基于动力测试的系统识别技术正逐步成为工程结构健康检测的重要手段。由于测试仪器和技术的原因，实际工程中一般难以获得结构楼层的转角信息，这是短期内难以解决的问题。剪切结构模型是房屋建筑中最常用的一种简化模型，基于剪切模型的时域法参数识别，具有不需要转角位移信息的特点，该模型适用于目前检测技术的要求。此外，地脉动环境激励是一种容易实现、费用低、对环境影响小的激励方式。但由于这种信号的信噪比低，信息处理困难，实际中结构参数识别效果不理想。基于上述考虑，本文主要针对地脉动激励作用下，剪切结构模型的物理参数识别进行如下几方面的研究工作：1．结构参数识别基本理论和噪声对结构参数识别影响的研究。本文详细地研究了地脉动激励下的结构动力响应参数识别，对频域法和时域法参数识别进行比较。探讨了噪声、结构损伤程度对频域法和时域法参数识别结果的影响进行了研究。编写了频域法结构模态、物理参数识别和基于剪切模型的时域法物理参数识别程序，进行了大量的数值仿真和分析。2．信号去噪理论与方法研究。在充分考虑线性动力系统的时域响应特性以及小波包分析的频域空间剖分特性的基础上，作者提出了一种结构特征信息提取的信号去噪新方法。并从理论上证明了结构特征响应中包含有结构系统的动力响应信息，利用该信号可以进行结构系统的动力识别，并取得了较好的识别效果。结构特征信号的提取，实际上也是一种较好的去噪方法，并在数值计算和试验中得到了验证。3．基于“能量—损伤”的频域法。当结构出现损伤或称系统出现故障时，其传递函数将会改变，不同频率的幅频特性和相频特性将会有不同程度的改变。从幅频特性来说，它主要表现在对不同频率段的输入信号具有不同的抑制和增强作用。本文提出采用“能量—损伤”法进行结构损伤识别，并进行了数值仿真计算，探讨了这种精细频域方法在结构损伤识别应用的可能性。采用随机数据处理方式，建立了“特征向量—损伤状态”状态关系。4．信息不完备测试信息的时域辨识研究。在实际工程中，往往无法一次性获得全部楼层加速度、速度和位移信息，这些都属于信息不完备的情况。在速度、位移未知的情况，本文对数值积分误差、积分初值等问题进行了理论研究，提出了积分误差和积分初值作为低频趋势影响的概念，并利用小波包消除这些误差的影响，大大提高了参数识别精度。对于一次不能获得全部加速度的情况，作者对子结构动力参数识别模型和参数识别方程进行了研究，编写了子结构参数识别程序，并进行数值仿真计算和试验，其结果表明，本文提出的子结构参数识别结果与信息完备参数识别结果得到较好的吻合。5．钢—混框架模型物理参数识别试验研究。首先对模型进行了静力试验，获得较准确的静力参数值，通过D值法和试验修正，获得各层的刚度值。作者根据地脉动加速度响应，分别采用频域法和时域法进行层刚度识别研究。频域法虽然能获得前3阶的固有频率和模态，但无法根据剪切模型识别结构物理参数。通过信息完备和子结构时域法参数识别，验证了本文提出的时域法辨识理论和方法在工程结构动力检测应用中的有效性，基于剪切模型的时域法也可以识别一般框架结构的物理参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 损伤的定义及特征
• 1.3 结构的损伤诊断
• 1.3.1 结构损伤诊断的目标
• 1.3.2 结构损伤诊断方法
• 1.4 结构动力学系统识别
• 1.4.1 参数识别
• 1.5 结构动力学损伤诊断研究现状
• 1.5.1 频域法研究现状
• 1.5.2 时域法研究现状
• 1.5.3 动力检测试验与信号去噪
• 1.6 结构损伤诊断存在的主要问题
• 1.7 本文的主要工作
• 第二章 结构参数识别的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 结构参数频域识别法
• 2.2.1 结构模态参数的频域识别法
• 2.2.2 结构物理参数的频域识别法
• 2.3 结构参数时域识别法
• 2.3.1 结构模态参数的时域识别法
• 2.3.2 结构物理参数的时域识别法
• 2.4 小结
• 第三章 噪声对参数识别精度的影响
• 3.1 引言
• 3.2 非周期信号的幅值谱密度、能量谱密度
• 3.3 噪声对频域法参数识别的影响
• 3.3.1 随机噪声对结构固有频率的影响
• 3.3.2 低频噪声对结构固有频率的影响
• 3.3.3 频域法对结构弱损伤的识别
• 3.4 噪声对时域法参数识别的影响
• 3.4.1 白噪声对结构反演刚度的影响
• 3.4.2 有色噪声对结构反演刚度的影响
• 3.5 小结
• 第四章 信号去噪理论与方法
• 4.1 引言
• 4.2 小波分析与小波阈值去噪的基本理论
• 4.2.1 小波函数及其时频特性
• 4.2.2 小波变换
• 4.2.3 多分辨率分析与Mallat快速算法
• 4.2.4 基于信号奇异性的小波去噪理论
• 4.3 小波阈值去噪方法
• 4.3.1 阈值法小波去噪的算法原理
• 4.3.2 一类可微的阈值函数
• 4.3.3 基于可微阈值函数的自适应阈值估计
• 4.4 提取结构动力特征响应的信号去噪方法
• 4.4.1 结构动力响应信息提取的理论依据
• 4.4.2 基于小波包变换的信号时频滤波
• 4.5 数值算例
• 4.6 小结
• 第五章 结构损伤综合识别研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于“能量—损伤”的损伤诊断识别方法
• 5.2.1 “能量—损伤”的理论依据
• 5.2.2 “能量—损伤”参数识别方法的算法
• 5.2.3 算例分析
• 5.3 结构物理参数的时域法识别法
• 5.3.1 结构物理参数的时域识别模型
• 5.3.2 结构物理参数的时域识别的基本准则
• 5.3.3 完备测量信息时域法参数识别
• 5.3.4 子结构参数识别方法
• 5.4 小结
• 第六章 钢-混框架模型参数识别试验
• 6.1 引言
• 6.2 钢-混框架模型参数识别试验
• 6.2.1 模型制作
• 6.2.2 模型静力参数实验
• 6.2.3 地脉动加速度信号测试与去噪
• 6.2.4 框架模型模态及物理参数频域法识别
• 6.2.5 地脉动激励下结构特征加速度、速度和位移响应计算
• 6.2.6 框架模型物理参数时域法识别
• 6.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间主要研究成果