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《暨南大学》 2011年
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结构健康监测中的测点优化布置方法研究

赵俊  
【摘要】:结构健康监测系统是保障大型结构服役安全的重要手段,测点的优化布置是结构健康监测关键技术之一。鉴于工程环境、经济和风险评估等因素,要求用最有限的测点满足结构健康监测的需求,故测点优化布置方法的研究具有重要的工程价值和社会意义。本文结合数值模拟、试验分析和工程案例,对不同的测点优化布置方法进行了深入系统的研究,主要工作包括: 1.总结和概括了现有国内外测点优化布置方法的研究现状,将测点优化布置方法大致划分为四部分:基于风险评估的测点优化布置方法、基于静力测试的测点优化布置方法、基于移动载荷的测点优化布置方法和基于动力测试的优化布置方法,基本涵盖了现有测点优化布置方法的各个研究方向,建立起结构健康监测中测点优化布置方法较为系统的初步理论框架,并对部分所述方法进行较为深入的研究。 2.从风险评估基本理论开始论述,引出了实际工程中风险动态管理系统的重要作用,测点优化布置是其关键环节,对整个系统有着决定性的作用。以风险评估为基础,讨论了风险评估与测点优化之间的内在联系,提出了基于工程重要风险源的测点优化布置方法,结合作者近几年来三十多个实际基坑监测工程经验和监测结果分析,证实了方法的实用性和有效性,并总结出相应的测点优化布置准则,弥补现有规范的不足之处,可以用于指导实际工程,同样适合于桥梁、大坝等结构的健康监测。 3.提出了基于静力结构变形可观测性的区域梯度法和基于静力结构损伤可识别性的“分步测试”法进行测点优化布置,通过梁和板结构的数值模拟分析,可以有效地逼近结构实际变形和识别出损伤单元位置,是一个从近似变形逐渐逼近真实变形和从潜在损伤区域逐渐逼近真实损伤单元的过程,证实了基于静力测试在有限测点下该种方法的有效性。 4.基于小波多分辨率分析的方法,根据移动载荷作用下梁动态响应特性,利用梁上一点振动信号对裂纹梁进行损伤识别。移动载荷经过梁裂纹位置时,将会引起梁响应时间历程曲线的奇异性,这种奇异性很难直接被观察到,但是可以通过小波多分辨率分析进行识别。利用有限元Ansys软件的瞬态分析方法进行裂纹梁移动载荷作用下的损伤识别数值模拟,通过梁上某一点挠度、速度和加速度的振动信号,利用小波多分辨率分析有效地识别出单个及多个裂纹,同时扩展到连续裂纹梁的损伤识别。然后对不同测点布置方案下,结构挠度、冲击系数和损伤敏感性进行研究,总结出相应测点布置准则。 5.将有效独立法(EFI)和有效独立-驱动点残值法(EFI-DPR)应用到梁、拱结构的动力测试传感器优化布置中,通过与传统的均分法(ED)进行数值和实验比较研究,找出传感器优化布置的有效方法和合理方案。首先,利用Ansys有限元软件进行梁、拱结构模态分析的数值模拟,分别用三种方法对其进行传感器优化布置。然后,分别用均方差最小准则和模态保证准则对其优化结果进行验证和比较,找出最适合的优化方法。最后,结合梁、拱结构模态实验,提出了传感器优化布置方案。
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