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基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统研究

卢伟  
【摘要】: 由于大跨空间结构多具有体型复杂,结构形式新颖等特点,其施工和运营阶段的安全性备受关注。结构健康监测系统是通过布置在结构上的各种类型传感器实测的结构响应信息,分析得到结构施工和运营阶段的工作状态,为结构施工和运营阶段安全提供预警及保证的作用。随着结构健康监测系统在实际工程中的应用,传感器的选型及优化布置、数据采集与处理、结构健康诊断方法、系统搭建等方面得到不断的研究和完善。本文在已实施的大跨空间结构健康监测系统的基础上,着重讨论了基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统,分别从系统的构成及其可靠性、结构整体信息的获取、传感器优化布置、传感器失效故障诊断、结构损伤程度识别等方面展开研究。 首先,在已实施大跨空间结构健康监测系统的基础上,基于分散控制和现场总线理论,研究基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统理论框架。基于现场总线的结构健康监测系统是集中式结构健康监测系统的升级版本,具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、系统安全、维护成本低等优越性,使结构健康监测系统的搭建具有适应性、扩展性、模块化等特点,可为结构健康监测系统的搭建提供更为方便、灵活、统一的方法。本文根据现场总线的优越性及已实施结构健康监测系统的构成给出了基于现场总线的结构健康监测系统的组成部分与构成形式,根据传感器子系统和基本控制单元的故障率及它们的连接形式讨论了结构健康监测系统的可靠性,并以深圳万科中心结构健康监测系统为例,说明了基于现场总线的万科中心结构健康监测系统的几种搭建方式,通过对这几种结构健康监测系统的可靠性分析,论证了基于现场总线式的结构健康监测系统的可靠性高于集中式的结构健康监测系统,并且系统的可靠性随着分散程度的提高而提高。 其次,以结构应变测量值为基础,提出基于应变测量值的结构健康监测方法。该方法以较少的应变测量值获取结构整体的应力分布为目标,根据按不同区域划分的子结构的相似性,对结构各子结构布置不同数目的应变传感器,通过校正基准子结构的应力分布而获取结构整体的应力分布,实现基于应变测量值的结构整体信息获取。本文运用主成分分析方法和系统聚类法对最优传感器布置杆件和在杆件上的布置点进行了选择,运用引入延拓概念的拟合方法对子结构的应力分布进行获取,并通过校正子结构应力分布的方法对其它子结构的应力分布进行获取,从而获取结构整体的应力分布。以深圳市福田交通枢纽中心钢结构为例,运用该方法进行了应变传感器的布置,对基准子结构应力分布和结构整体应力分布进行获取,通过有限元模型输出的理论值与预测值的对比,说明该方法对于相似性越高的子结构,其应力分布获取结果的误差越小。 再次,基于数据融合技术,提出加速度传感器优化布置方法与加速度传感器失效故障诊断方法。该方法为结构健康监测系统有效和可靠运行提供了前提保证,同时为基于现场总线的结构健康监测系统的前端智能设备的实现提供了理论基础。运用一致性数据融合方法,以距离测度作为数据融合的融合度,通过对距离测度矩阵、支持度矩阵及综合支持度的计算,给出最终的融合结果。加速度传感器的优化布置是以模态参数识别的最优信息为目标,构造理论目标测量值,通过实测目标测量值与理论目标测量值的综合支持度计算,对初步选定的加速度传感器进行局部优化。加速度传感器的失效故障诊断是综合硬件冗余和时序冗余的原理,构造监测同一目标的不同时段的加速度传感器的频域能量分布矩阵,通过对其进行综合支持度的计算,识别失效故障的加速度传感器,并通过融合算法补偿该加速度传感器频域能量分布,以用于其它正常工作加速度传感器的失效故障诊断。以一网架有限元模型和国家游泳中心钢膜结构健康监测系统实测的加速度时程数据分别验证了加速度传感器优化布置和失效故障诊断方法的有效性和可行性。 最后,以应变传感器和加速度传感器的测量值为基础,提出一种基于多类型传感器测量值的结构损伤程度识别方法。该方法充分利用了两种不同特性的传感器测量值,一种是反映结构局部特性的,一种是反映结构整体特性的,从不同角度对结构损伤程度进行识别,并提高信息的完整性,为结构损伤识别提供了更多的已知数据。本文给出两种基于多类型传感器测量值的结构损伤程度方法,第一种是根据应变传感器和加速度传感器的测量值对结构损伤程度识别效果的高低,运用D-S证据理论方法对这两种识别方法的识别结果进行权值分配,给出损伤程度综合识别结果;第二种是运用神经网络方法,直接将由应变传感器和加速度传感器测量值提取的损伤指标共同作为输入向量,通过最优神经网络结构的选择,得到损伤程度识别结果。通过国家游泳中心钢膜结构的损伤程度的识别,说明本文提出的基于应变传感器和加速度传感器测量值的结构损伤程度方法可以有效综合这两种类型传感器的测量值实现结构损伤程度识别。


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