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基于振动的桥梁结构损伤识别方法研究

谢峻  
【摘要】:结构在使用过程中会因各种因素而产生性能的退化,特别是位于重要交通线上的桥梁结构,试图了解和评估结构的损伤状态,为其安全决策提供可靠依据,是当前结构工程研究的热点问题,其过程即所谓的结构损伤识别(Damage Detection)和结构健康监测(Structural Health Monitoring SHM)。近30年来,土木,宇航和机械工程界的学者一直在寻找能适用于结构整体探伤评估的方法。其基本思路是通过研究结构动力特征的改变来进行损伤的快速自动化全局性识别、定位和量化评估。 本文在对基于振动的结构损伤诊断方法所涉及的主要理论方法进行全面探讨的基础上,重点讨论了基于模型(FEM)修正的损伤诊断法以及动力指纹法。在深入了解不同方法的优缺点的基础上提出或改进了三种基于振动损伤识别方法,并通过不同的综合算例进行了验证。 基于模型修正的结构损伤识别方法,理论严密综合诊断潜力大,但对于大型结构存在自由度多,计算量过大等问题,显然对所有结构单元参数进行修正是不可能的。解决这个问题可以选择那些对结构动力特征影响大的和具有较大误差的参数和单元,即采用有机结合多种损伤识别方法的综合体,以发挥多种方法的优点来进行诊断。基于这一思想本文提出结构动力损伤诊断三步法流程,经算例证明,是一条行之有效的途径。该方法针对土木工程结构损伤识别的要求,即进行构件级或单元级诊断,建立了多阶段损伤识别的框架,该框架由损伤识别、损伤定位的单元筛选和搜索、单元损伤反演组成的三阶段结构损伤诊断流程组成。具体而言,首先用测试动力特征和结构模型计算残余模态力,然后利用单元的筛选和搜索准则选择出怀疑的损伤部位,最后利用不等约束优化算法对这些结构部分进行反演,获得最终的损伤部位及损伤量。同时,鉴于实际工程中存在的测试噪声干扰问题,本文进一步将该三步法方法与统计理论相结合,利用损伤识别特征的统计检验增强三步法在较高噪声干扰下的强健性。本文提出的三步法的优点在于只对受怀疑单元进行搜索,计算量大大减少,且利用统计的方法使得整个流程的抗噪声干扰能力大大增强。钢筋混凝土连续梁模拟算例和广东新会大跨度斜拉桥崖门桥的实际算例分析表明本文提出的三步法识别流程具有损伤识别各阶段结合紧密,计算量小,识别准确和抗噪性强等优点,适于在结构健康监测中应用。 对于实际工程中频率测试方便和精度较高的特点,本文剖析了频率用于结构损伤识别的机理并改进了Stubbs基于频率的整体损伤识别方法。该改进方法简化了计算,A阵计算一次即可保留作为结构固有信息,提供给以后结构损伤的识别


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