提升小波包和BP-AdaBoost模型在大跨斜拉桥拉索损伤识别中的应用

为了有效地进行工程结构的损伤识别,提出基于提升小波包特征提取和BP-Ada Boost模型的大跨斜拉桥拉索损伤识别方法。该方法首先利用提升框架,将结构损伤前后的振动测试信号进行提升小波包分解,提取小波包信号分量能量并将能量累积变异值作为特征值,识别斜拉索损伤位置,然后以此建立BP-Ada Boost(Back Propagation neural network,Adaptive Boosting)模型,利用Ada Boost算法和BP神经网络相结合的方法对大跨斜拉桥拉索的损伤程度进行识别,并研究噪声对该算法的影响。数值分析结果表明,采用基于提升小波包和BP-Ada Boost模型相结合的方法能够有效地识别大跨斜拉桥拉索损伤。     

基于提升小波包和模糊模式识别的结构损伤识别

针对网架结构的损伤特点,提出基于提升小波包特征提取的模糊模式识别的结构损伤诊断方法。该方法首先利用提升框架,将结构振动测试信号进行提升小波包分解,提取小波包信号分量能量作为损伤识别的特征向量,以此建立模糊模式识别的模糊子集,最后利用模糊C均值聚类分析与择近原则相结合的模糊模式识别方法对结构进行损伤识别,并研究噪声对该算法的影响。为了证明该方法,对一个二层网架结构模型进行数值仿真,结果表明该方法能够有效地识别损伤。     

基于小波包分析的拉索损伤声发射信号特征提取

结合显式有限元和小波包分析技术开展了拉索损伤声发射信号特征提取的仿真分析。采用ANSYS/LS-DYNA模拟得到拉索损伤声发射信号的仿真信号,基于小波包能量谱对拉索声发射的有限元仿真信号进行了特征提取,从小波包分解层次、特征频带数量的选择及特征参数的噪声鲁棒性三个方面开展了讨论分析。结果表明:(1)通过选择适当的小波包分解层次,小波包能量谱可以精细地反映信号的特征;(2)选取少数特征频带就能使得小波包能量谱反映声发射信号的特征信息;(3)基于小波包能量谱的特征参数具有良好的损伤敏感性及噪声鲁棒性,能在强噪声影响下实现对拉索不同损伤类型的判别。     

基于提升小波包和模糊模式识别的结构有限元模型修正

该文提出了基于提升小波包特征提取和模糊模式识别的结构有限元模型修正方法，首先建立以节点固结系数表示的空间网架单元刚度矩阵，然后利用提升框架，将结构振动测试信号进行提升小波包分解，提取小波包信号分量能量作为特征向量，以此建立模糊模式识别的模糊子集，最后利用模糊模式识别方法对结构进行有限元模型修正，并研究了噪声对该算法的影响。为了证明该方法，对一个二层网架结构模型进行了数值仿真，结果表明该方法能够有效的修正结构的有限元模型。     

基于小波分析的结构损伤检测

损伤结构的动力特性具有局部时变的特征，小波变换在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，小波包分析利用可以伸缩和平移的可变视窗能够聚焦到信号的任意细节，因此可以对损伤结构的非线性动力特性能进行有效的分析。提出运用小波分析提取结构损伤特征向量的方法和基本原理，并进一步用神经网络进行损伤位置和程度的检测。文章通过一个两层框架的模型对小波神经网络和传统的BP网络的损伤识别精度作了对比。研究表明，小波神经网络的抗噪声能力较强，损伤识别的效果更好，运用小波神经网络进行结构损伤识别精度要优于传统的BP网络。     

斜拉桥结构损伤定位的组合敏感指标法

研究斜拉桥结构在斜拉索和主梁组合损伤条件下的损伤定位问题。根据斜拉桥的受力特点，将其看作由斜拉索、主梁以及索塔组成的组合结构，对于斜拉索和主梁分别选取相应的损伤敏感指标，首次提出了斜拉索损伤定位的斜拉索索力指标，在此基础上提出了斜拉桥损伤定位的组合敏感指标法。为了降低测试数据噪声对损伤定位的影响，引入蒙特卡罗法提高方法的准确性和鲁棒性。对一斜拉桥结构进行了损伤识别的数值模拟分析，研究表明该方法仅需不完备的低阶振型模态和索力测试数据，即可实现斜拉索和主梁组合损伤的准确定位。     

基于小波包与改进EMD的轮轨力信号降噪

地下列车的轮轨力应变信号在采集过程中,会受到城市上部各种交通车辆、噪声,以及列车车轮磨耗、轨面不平顺等诸多因素的影响。采集的轮轨力信号将失去其准确性。针对轮轨力应变信号中存在的随机白噪声,以及在EMD分解过程中出现模态混叠的问题,提出一种改进的信号处理方法,该方法是一种小波包降噪算法与EMD解相关算法相结合的数据处理方法,能够同时有效抑制模态混叠现象和消除噪声干扰。运用改进的信号处理方法对仿真信号和实测的地下列车轮轨力信号进行处理分析。研究结果表明:该改进的数据处理方法能有效地消除轮轨力在采集过程中随机白噪声的干扰和抑制模态的混叠。对有效地识别轮轨力真实信号具有重要的实际意义。     

基于Shannon熵的自适应小波包阈值函数去噪算法研究

小波包去噪算法的关键问题在于对信号进行去噪时,如何有效地消除噪声且尽可能地保留原始信号的小波包系数。传统阈值函数由于无可调节参数,其去噪形式固定,无法根据小波包分解系数的噪声成分自适应地进行调整,去噪效果有待提升。据此,将Shannon信息熵作为调节参数引入小波包阈值函数中,提出一种基于Shannon熵的自适应小波包阈值去噪算法,对信号进行小波包分解并计算最大分解尺度小波包系数的Shannon熵值,依据该值对阈值函数进行调整,以实现在强噪声背景下对小波包系数进行大尺度的收缩,而在弱噪声背景下实现阈值收缩的平滑过渡。采用该方法对仿真信号与轴承振动实验信号进行去噪分析,并与其它小波包阈值去噪算法相对比,结果表明该方法去噪效果更好且在滤除噪声的同时有效地保留了信号的原始特征。     

环境激励下基于改进经验小波变换的土木工程结构模态参数识别

针对经验小波变换(EWT)识别噪声信号模态参数时,由于傅里叶频谱易受噪声影响而频带划分不准确等问题,提出了一种基于Burg算法的自回归功率谱替代傅里叶频谱的信号频带划分技术,结合随机减量技术和基于Hilbert变换的单分量模态参数识别方法,提出了环境激励下基于改进经验小波变换的土木工程结构模态参数识别方法。典型模拟信号、美国土木工程师学会ASCE Benchmark数值模型以及台风激励下香港汀九斜拉桥的模态参数识别结果验证了方法的正确性、有效性和适用性。研究结果表明:基于自回归功率谱的信号频带划分技术,可更准确地估计信号频带边界,隔离噪声;基于改进EWT方法识别的结构模态参数更准确,精度高于基于小波变换的方法,且能有效地识别环境激励下实际土木工程结构的低阶自振频率和阻尼比。     

基于改进多重同步压缩算法的斜拉索时变索力识别

斜拉索时变索力的识别是斜拉桥结构状态评估和健康诊断的重要内容，然而目前此问题尚未得到很好的解决。基于改进多重同步压缩算法和高效脊线提取算法，提出一种斜拉索时变索力识别新方法。该方法利用拉索振动加速度响应获得时频谱，通过提取时频谱中的时频脊线得到拉索的瞬时振动频率，并根据张紧弦理论计算拉索时变索力。通过典型斜拉桥数值案例和拉索试验对该方法的适用性和精度进行验证。结果表明，在数值案例中，在10%噪声水平下时变索力识别平均误差在1.99%以内，最大误差为5.09%;在试验案例中，时变索力识别平均误差在2.52%以内，最大误差为8.77%。初步检验结果证明了所提方法具有较好的识别精度和噪声鲁棒性。     

重载列车引起的大跨度斜拉桥拉索振动研究

采用子结构法研究了重载列车引起的大跨度铁路斜拉桥拉索非线性振动问题。首先基于线性桥梁空间有限元模型,采用车-桥耦合动力学理论计算得到斜拉索锚固点动力响应;然后将该动力响应作为斜拉索端部激励,采用自编的基于CR列式法(Co-rotational Formulation)的拉索非线性动力有限元程序,计算斜拉索非线性动力响应。以荆岳铁路洞庭湖三塔斜拉桥为例,开展了车致斜拉桥拉索振动分析,结果表明:在设计时速范围内,重载列车作用下,斜拉桥索端激励与拉索固有频率两者不存在明显的匹配关系,车致拉索振动响应为一个准静态过程;通过进一步对比不同计算方案,即车-桥耦合振动、移动轴重瞬态分析与移动轴重影响线加载对拉索响应的影响,发现对于大跨度铁路斜拉桥而言,由于车-桥耦合振动效应不显著,采用移动轴重影响线加载方法得到的拉索应力结果具有足够精度。     

风、列车作用下斜拉桥索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响

以实际大跨度斜拉桥为研究对象,研究了随机风、列车作用下发生的索-梁相关振动对拉索疲劳可靠性的影响。使用编制的动力有限元计算程序,建立了大跨度铁路斜拉桥全桥3维精细有限元模型,计算了斜拉桥全桥在风、列车动力作用下的振动响应,分析了全桥索-梁相关振动的特性。建立了列车交通荷载概率模型,根据桥位处风速统计数据资料建立了桥梁的风荷载概率模型,对拉索的应力谱进行了计算。依据损伤理论,使用Monte-Carlo方法开展了拉索在风、列车动力作用下的疲劳可靠度分析。研究结果表明:在斜拉桥日常运营状态中,风、列车作用下索-梁相关振动不会导致拉索共振,索-梁相关振动是拉索疲劳可靠性下降的主要原因;对于拉索在长期动力荷载下的疲劳失效概率,风场作用占比很小,列车作用占比较大;各个拉索的成桥状态索力影响了列车作用下的拉索应力幅,进一步影响了斜拉桥在长期动力作用下拉索的疲劳可靠性。     

基于有限元-向量式有限元的斜拉桥非线性振动计算方法

向量式有限元(VFFE)法本质上是考虑几何非线性的有限元(FE)显式动力时程积分方法。阐述了向量式有限元的基本原理,对比了向量式有限元与基于单元随动坐标系的非线性有限元动力计算方法的相同点与差别,开发了使用杆、梁单元的有限元-向量式有限元统一算法框架的计算程序。使用该程序建立了大跨度斜拉桥计算模型,首先,使用非线性有限元法计算了斜拉桥的静力状态与动力特性,计算了列车-桥梁耦合动力作用下桥梁的振动;然后,使用向量式有限元法计算了斜拉桥在拉索突然断裂状态下的非线性振动;最后,计算了在列车-桥梁耦合动力作用下,拉索发生断裂时,桥梁与列车的振动状态。结果表明:使用向量式有限元可以简单可靠地直接模拟斜拉桥在破坏状态下的非线性振动状态;列车运行至跨中附近时,若斜拉桥跨中最长拉索突然发生断裂,对其他拉索的安全性影响不大,离断裂拉索越远的拉索受到的影响越小,但拉索突然断裂会对桥上行驶中列车的安全性造成威胁。该研究为大跨度斜拉桥在破坏状态下的非线性振动分析提供了新的解决方案。     

京沪高速铁路南京长江大桥列车走行性分析

运用桥梁结构动力学与车辆动力学的研究方法,将车桥作为联合动力体系,建立了高速列车与大跨度斜拉桥的车桥耦合动力分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥3塔斜拉桥方案为例,分析了大跨度斜拉桥在ICE高速列车作用下的车桥动力响应特点;同时,基于合理的列车走行性评价指标,对高速列车通过大跨度斜拉桥时的走行安全性与舒适性进行了详细分析,初步探讨了大跨度斜拉桥用于高速铁路的可行性。     

基于BP神经网络的桥上移动荷载分阶段识别方法

移动荷载识别可作为桥梁损伤机理研究的基础,同时为交通规划提供可靠的车载信息。提出了一种基于BP神经网络的桥上移动荷载的分阶段识别新方法。建立了桥梁有限元模型和2自由度5参数车辆模型,模拟生成了神经网络训练样本。采用分阶段识别技术,分步识别了桥上车辆的位置、速度和荷载。在神经网络设计中,利用正交设计法选择训练样本集,采用正则化方法对误差性能函数进行修正,并采用遗传算法对初始权进行了优化。数值仿真了一简支梁桥的移动车辆荷载识别,并通过模型试验进行了验证。结果表明:所提出的方法能够在线、实时地识别桥上移动车辆荷载,识别精度高、收敛速度快,且具有较强的鲁棒性和抗噪能力。     

特大跨缆索桥钢箱梁疲劳应力特性对比性研究

疲劳应力监测是特大跨缆索桥结构健康监测和安全评估的关键环节。研究发现,对于结构健康监测系统采集的海量应变数据,局部时段不能反映出应变的整体特性,且交通载荷和环境载荷在不同类型的大跨缆索桥如斜拉桥和悬索桥结构中产生的响应是不同的。为了对桥梁的实际运营状态和应力水平有总体而全面的认识,需要对采集数据进行统计分析。本文以润扬悬索桥和斜拉桥钢箱梁应变时程数据为基础,分析了半年内两桥疲劳应力谱的特征;拟合了各自的疲劳损伤增量的概率密度函数。研究表明：对半年样本容量的参数估计显示,润扬悬索桥和斜拉桥的相对累积损伤均不拒绝对数正态分布,且前者均值均高于后者。在相同的环境和车辆载荷下,由车辆和变温载荷所引起的总疲劳损伤增量,悬索桥高于斜拉桥,且前者为后者的两倍以上。考虑了噪声影响的应变时程比去除噪声后的应变时程所造成的损伤增量高出一倍。而耦合了引起材料热胀冷缩的温度变形的影响,其应变时程造成的累积损伤增量比不考虑其影响所造成的损伤增量高出30%。因此,需要严格控制随机干扰和温度变形的影响,将真实的动态应变信息加以提取后才能进行大跨缆索桥的疲劳状态评估。     

考虑车桥耦合效应的大跨悬索桥钢-混组合梁疲劳损伤评估

为了研究不同疲劳车辆荷载作用下大跨度悬索桥钢-混组合梁的疲劳寿命,以及在考虑车桥耦合效应变化时运营期内钢-混组合梁疲劳损伤累积变化规律,以某主跨720 m的悬索桥为例进行了分析。基于局部梁段有限元模型静力分析确定了疲劳细节关注点,得出相应的应力集中系数;利用P-M及CDM两种评估模型对疲劳荷载模型Ⅲ、AASHTO规范标准疲劳车及河北省疲劳荷载谱三类疲劳车辆荷载作用下的疲劳损伤度及疲劳寿命进行了评估;考虑车桥耦合动力效应分析了车辆载重量、行车速度、桥面铺装恶化及未来交通量增长对结构运营期内的疲劳损伤累积的影响。结果表明,该类钢-混组合梁悬索桥疲劳状态评估最不利梁段为1/8跨处,易发生疲劳破坏的节点为靠近吊点位置的主梁顶板与腹板连接处。疲劳荷载模型Ⅲ与当地疲劳荷载谱作用下的疲劳损伤量比较接近,AASHTO疲劳车作用下的损伤累积量明显低于另外两类。不同部位疲劳细节关注点的累积损伤量变化趋势与速度的关系不太明确,行车载重量、交通量增长以及桥面铺装恶化均加速疲劳损伤累积的增长。     

基于元胞自动机微观模拟的随机车流与桥梁耦合振动数值研究

将经典车桥耦合振动理论与最新提出的多轴单元胞自动机(MSCA)微观车流荷载模拟方法进行融合,形成了一种精细化的随机车流与桥梁耦合振动数值分析方法。介绍了该研究所采用的车桥耦合振动理论及模型;提出了MSCA实现车桥动力分析的思路和方法,并进行了程序开发;通过具有实测时程动态挠度的工程算例,验证MSCA实现车桥耦合动力分析的准确性;将MSCA用于随机车流激励下某斜拉桥的动力效应分析中,论证基于MSCA的随机车流与桥梁耦合振动分析程序的可靠性。研究结果表明:工程算例很好地证明了该文所提方法和模型在进行车桥耦合分析的准确性,最大误差仅为11.6%;斜拉桥在随机车流作用下的静力与动力时程挠度分析显示,两者具有很好的一致性,随着路面粗糙度等级提升两者差异更加显著,说明了该模型和方法在开展随机车流与桥梁耦合振动分析的可靠性。该研究进一步拓展了MSCA在随机车流激励下分析桥梁各类动态响应的能力,为该方法程序在实桥监测与评估的应用提供了基础。     

大跨度斜拉桥的施工非线性倒拆分析

以斜拉桥静载弯曲能量作为目标函数,综合考虑斜拉索垂度效应、梁柱效应和大位移效应,并采用混合法求解系统方程,确定斜拉索成桥时的初始张拉力。以由此确定的斜拉桥初始状态作为施工非线性倒拆分析的初始状态,倒拆分析的过程中需要考虑相应阶段的混凝土收缩、徐变影响,倒拆分析的结果作为斜拉桥施工阶段的斜拉索张拉力,即斜拉桥施工阶段的最终优化结果。该方法经过算例验证,取得了较好的结果,为斜拉桥的施工控制提供了依据。