基于模态应变能和小波分析方法的网壳结构损伤识别研究

工程结构损伤的识别与定位研究以往主要针对梁、框架等结构形式.损伤表现为信号局部特征的改变,而小波分析在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力.为提高结构损伤识别方法的准确性和适用性,将小波分析引入到网壳结构损伤识别中.根据小波奇异性检测理论,提出将模态应变能和小波变换相结合的方法对网壳结构进行定位,即以结构损伤前后单元模态应变能差作为结构损伤指标,对其分别进行bior6.8连续和离散小波变换,利用小波系数极大值点判断网壳结构有无损伤和损伤位置.以跨度40m的Kiewitt网壳结构为例进行数值模拟,结果表明:基于模态应变能和小波变换相结合的方法,在测得一阶模态下,不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置,证明该方法对此类结构损伤定位具有有效性和实用性.     

曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性分析

曲率模态法是针对梁式结构提出的一种损伤识别方法,其用于网壳结构损伤定位的有效性需要进行研究和证实。以一个单层球面网壳为例,对曲率模态法用于该结构的损伤定位进行数值模拟,分析网壳结构模态局部化对损伤定位效果的影响。损伤定位的判断标准为绝对曲率差最大值所对应的节点为损伤位置,指示该节点上的杆件发生了损伤。数值分析的结果表明,对于单杆件损伤,使用损伤前后密集模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很差,而使用损伤前后稀疏模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很好。可见,模态局部化对曲率模态法应用于网壳结构损伤定位的影响很大,因此,只有选择稀疏模态才能较好地避开模态局部化现象,在一定程度上保证曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性。     

连续、离散小波变换的桥梁健康检测方法研究

选取竖向位移模态和曲率模态,分别采用连续小波变换和离散小波变换对其进行损伤检测。数值模拟结果表明:当采用连续小波变换时,基于竖向位移的小波变换并不能准确确定损伤位置,而基于曲率的小波变换可以准确确定结构损伤位置;当采用离散小波变换时,基于曲率和竖向位移的小波变换都可以准确确定结构损伤位置。     

基于小波变换的弹性地基梁的损伤识别

把曲率模态识别结构损伤的方法和小波变换识别损伤的方法相结合,提出了一种基于小波分析的识别结构损伤的方法。利用bior1.1小波函数对结构的曲率模态进行小波变换,识别出结构的损伤。最后通过数值模拟一损伤的弹性地基梁,验证了该方法的有效性,该方法对工程结构损伤识别具有参考价值。     

基于曲率模态小波分析的单塔斜拉桥损伤识别

基于曲率模态小波分析原理及有限元法分析了含有损伤单元的单塔斜拉桥的振动特性;以Mexh小波为母小波,通过对损伤斜拉桥的曲率模态做连续小波变换,由小波系数模极大值位置识别斜拉桥损伤的位置,建立了一种基于曲率模态小波分析识别斜拉桥损伤的方法;采用该方法对单塔斜拉桥的损伤识别进行了计算分析。结果表明:该方法具有有效性,对于各类型桥的损伤诊断具有指导意义。     

基于时间序列与神经网络的空间网壳结构损伤检测方法

针对网壳结构损伤识别中遇到的模态信息不完备、模态局部化和跃迁现象以及结构自由度巨大所带来的建模精度低等实际困难,提出了一种适用于网壳结构损伤检测的方法——基于时间序列与神经网络的结构损伤检测法.首先,利用ANSYS瞬态分析模块提取结构加速度响应;然后,通过MATLAB(Matrix Laboratory)编程软件建立时间序列自回归模型即AR(Auto-Regressive)模型并提取模型参数,从而判定结构损伤是否发生;最后,对AR模型参数作差并对其进行组合作为损伤特征向量输入到由MATLAB神经网络工具箱建立的BP(Back Propagation)神经网络,对结构损伤进行定位.以凯威特单层球面网壳作为研究对象进行数值模拟,验证该方法的有效性.     

大跨度空间网格结构的损伤定位

本文建立了基于模态曲率法和人工神经网络技术相结合的、适用于大跨度空间网格结构的损伤定位新方法,即首先应用模态曲率法判断结构是否发生损伤并识别发生损伤的局部结构,然后对发生损伤的局部结构利用人工神经网络技术识别损伤的准确位置。通过分析和比较发现,以模态曲率为基础的损伤参数比较适合于大跨度空间网格结构的损伤定位,三种以模态曲率为基础的损伤定位参数按有效性进行排序,从低到高依次为模态曲率、模态曲率差、模态曲率变化率;针对天津奥林匹克中心体育场大跨度悬挑管桁结构进行了不同损伤状况的数值模拟,验证了所建立的损伤定位方法的适用性和有效性。研究结果表明:利用模态曲率变化率识别损伤发生的大致位置,当单榀桁架发生损伤时,识别的准确率达到100%,当多榀桁架同时发生损伤时,识别的准确率达93.7%;采用人工神经网络技术识别损伤桁架的准确损伤位置时,在无测量噪声影响下,损伤定位的准确率达到97.0%,且测量噪声对损伤定位准确率的影响很大。     

基于曲率模态的预应力混凝土损伤定位

本文采用曲率模态对预应力钢筋混凝土的损伤定位进行了研究，采用有限元方法计算出结构的位移模态，根据得到的位移模态利用差分计算得到曲率模态曲线，数值计算结果表明曲率模态曲线的变化对结构的损伤存在，定位是可行的。     

基于比例柔度矩阵和改进模态曲率法的结构损伤定位研究

根据模态曲率法,并基于比例柔度矩阵,提出了一种利用平均柔度差的改进模态曲率法,结合某10层框架结构利用改进模态曲率法数值模拟损伤定位的结果,表明该改进模态曲率法能快捷简便解决柔度模态曲率法较难判断结构首尾单元损伤的问题,且保持模态曲率损伤定位的准确性。     

基于小波奇异性的RC剪力墙结构损伤诊断及实时健康监测

基于小波变换原理,采用Mexican hat小波对结构由于刚度降低引起的损伤进行损伤诊断。以损伤结构应变模态的奇异信号作为检测指标进行小波变换,通过小波系数模极大值确定损伤时间,讨论Lips-chitz指数与损伤程度的关系。以一个RC剪力墙刚度损伤检测为例,建立试验室模型进行试验。试验结果表明,该方法能够准确检测损伤时间,同时讨论了影响Lipschitz指数大小的因素和基于不同小波函数的选取对检测结果的影响,经过比较发现针对应变模态的奇异信号应用Mexican hat小波分析效果最好。     

杆件初弯曲对网壳结构弹塑性稳定性能影响研究

为研究杆件初弯曲对网壳结构弹塑性稳定性能的影响,采用多段梁法模拟杆件的初弯曲,通过ANSYS软件给出2种建模方法引入网壳结构的杆件初弯曲。根据杆件初弯曲的随机性介绍随机缺陷模态法,以Kiewitt-8型网壳为例解释随机缺陷模态法的模拟过程并考察杆件初弯曲方向角和幅值随机变量对网壳稳定性的影响,由此得到修正的一致缺陷模态法。基于上述方法,分析考虑杆件初弯曲的Kiewitt-6、Kiewitt-8和短程线型单层网壳的稳定性,定量给出杆件初弯曲对不考虑节点偏差结构和考虑节点偏差结构承载力的影响。结果表明：对于不考虑节点偏差结构和考虑节点偏差结构,杆件初弯曲将明显降低结构承载力,并且能够改变结构的塑性发展程度,杆件初弯曲对单层网壳弹塑性稳定性能的影响不可忽略;修正的一致缺陷模态法能够有效评估考虑杆件初弯曲的网壳结构承载力的较小值。     

Identification of Instantaneous Modal Parameter of Time‐Varying Systems via a Wavelet‐Based Approach and Its Application

This work presents an efficient approach using time‐varying autoregressive with exogenous input (TVARX) model and a substructure technique to identify the instantaneous modal parameters of a linear time‐varying structure and its substructures. The identified instantaneous natural frequencies can be used to identify earthquake damage to a building, including the specific floors that are damaged. An appropriate TVARX model of the dynamic responses of a structure or substructure is established using a basis function expansion and regression approach combined with continuous wavelet transform. The effectiveness of the proposed approach is validated using numerically simulated earthquake responses of a five‐storey shear building with time‐varying stiffness and damping coefficients. In terms of accuracy in determining the instantaneous modal parameters of a structure from noisy responses, the proposed approach is superior to typical basis function expansion and regression approach. The proposed method is further applied to process the dynamic responses of an eight‐storey steel frame in shaking table tests to identify its instantaneous modal parameters and to locate the storeys whose columns yielded under a strong base excitation.     

基于柔度曲率曲线的结构损伤识别方法

对柔度曲率法进行了改进,提出了基于柔度曲率曲线的结构损伤识别方法。提出了结构在健康状态下的完好柔度曲率曲线这一概念,并运用最小二乘法拟合构建该曲线;在此基础之上,进一步对结构损伤的程度进行了研究,通过损伤有效面积的大小来判断结构损伤程度。最后通过简支梁的单处和两处损伤对该方法进行了数值验证。结果表明：不需结构损伤前模态参数,该方法能够对简支梁发生单处和两处损伤进行准确定位及损伤程度分析;且损伤程度正比于损伤有效面积;同一损伤程度下,单元距离跨中位置越近损伤有效面积也越大。     

基于数据融合的张弦桁架损伤识别方法与试验研究

针对张弦桁架采用单损伤指标识别损伤位置易受到干扰甚至产生误判的问题,提出基于曲率模态差和模态柔度差曲率融合的损伤识别方法。基于D-S证据矩阵和加权平均两种数据融合准则,建立张弦桁架损伤识别的单次融合和两阶段融合识别流程。采用有限元软件ANSYS建立张弦桁架分析模型,利用减小构件截面积模拟弦杆损伤,分别采用非融合单损伤指标、单次数据融合和两阶段融合方法进行损伤识别分析。结果表明：单损伤识别指标的抗干扰能力较低,尤其对支座附近下弦杆的识别效果差;基于数据融合的损伤识别方法能够综合多种指标损伤识别结果,有效提高损伤位置识别的准确性;与加权平均数据融合准则相比,基于D-S证据矩阵准则的数据融合方法更能有效降低非损伤位置干扰,识别效果更好;两阶段融合方法效果优于单次融合方法,损伤位置的损伤概率愈发接近于1,非损伤位置的损伤概率愈发趋近于0。最后开展了一榀张弦桁架模型的损伤识别试验,通过试验验证了当所获取模态数据受到环境或测试噪声等因素影响下,文章提出的基于数据融合的损伤识别方法仍具有较好的鲁棒性,能够有效识别实际张弦桁架结构的损伤位置。但由于曲率模态差以及模态柔度差曲率难以识别损伤程度,因此文章方法仅能够提高损伤位置的识别精度。     

基于曲率模态的桥梁结构钢筋锈蚀损伤识别

介绍了曲率模态分析的基本理论,探讨了曲率模态在钢筋混凝土桥梁钢筋锈蚀识别中的应用,通过对一钢筋混凝土简支梁的数值仿真分析得出曲率模态指标可以识别出钢筋锈蚀的存在及发生的位置,还可以对钢筋锈蚀的程度进行分析,从而为曲率模态法应用到实际工程的损伤识别提供了理论基础。     

利用模态曲率差法进行弹性薄板的损伤检测

弹性薄板在工程中被广泛应用,对弹性薄板进行在役无损检测具有重要意义。本文在前人的研究基础上,以四边固支薄板为研究对象,运用ANSYS分析软件,采用改变单元弹性模量的方法模拟结构损伤,应用基于模态曲率差的损伤识别方法对板结构进行损伤检测。算例表明:在薄板的一个比较小的区域损伤的情况下,有损伤单元的模态曲率差的值变化明显,因此可以采用模态曲率差法对结构进行损伤识别并能准确判定损伤的位置。     

Decentralized damage identification using wavelet signal analysis embedded on wireless smart sensors

In this paper, a decentralized damage identification method using wavelet signal analysis tools embedded on wireless smart sensors (Imote2) has been proposed and experimentally validated. The damage identification analysis is decentralized by calculating discrete wavelet coefficients for acceleration in Imote2 sensors and transmitting the wavelet coefficients to a base station for damage identification through wavelet entropy indices. The wavelet entropy is modified to serve as a damage-sensitive signature that can be obtained both at different spatial locations and time stations to indicate existence of damage. It is known that wavelet-based approaches have clear advantages over Fourier transform-based ones for damage identification, since the wavelet transform allows for a wider choice of basis functions. This flexibility allows the wavelet transform to isolate changes in a signal that may be difficult to detect using other transform methods. To assess the reliability of the measurement signals, the wireless sensors have been compared with reference wired sensors. The proposed decentralized method for damage identification is verified via experimental tests using two laboratory structures: a three-story shear building structure and a three-dimensional truss bridge structure.     

杆件初弯曲对半刚接单层柱面网壳稳定承载力的影响研究

为了系统地研究杆件初弯曲对半刚接单层柱面网壳稳定承载力的影响,对5种矢跨比的半刚接网壳进行了双重非线性全过程分析。首先阐述了焊接球节点刚度及随机杆件初弯曲的确定方法,然后深入研究了杆件初弯曲对5种矢跨比的半刚接网壳稳定承载力的影响程度,最后探讨了具有杆件弯曲的半刚接网壳的破坏过程。研究结果表明,杆件初弯曲对半刚接网壳稳定承载力的影响程度与网壳矢跨比和初弯曲分布形式有关。如杆件初弯曲对矢跨比为1/3、1/4半刚接网壳的影响甚微,对矢跨比为1/5半刚接网壳的影响较为明显。矢跨比为1/6半刚接网壳的承载能力对个别杆件的弯曲形式较为敏感,而对某些杆件的初弯曲形式不敏感;随着矢跨比的减小,具有杆件初弯曲的半刚接网壳的极限荷载的离散性先增大后减小;网壳达到极限状态之后,失稳区域的竖向位移、杆件的弯曲应力和节点的转角迅速增大,网壳的受力状态转变为弯曲应力状态,当失稳区域的位移较大时,会引起该区域部分杆件丧失稳定,最终导致网壳发生整体失稳。     

空间网格结构节点螺栓松动损伤定位有限元分析

以单层柱面网壳试验模型为背景进行损伤定位研究,采用ANSYS软件对其螺栓松动损伤进行了有限元分析,利用神经网络的模式分类功能进行了螺栓松动的分步损伤定位,即首先以整体结构为研究对象,采用面向子结构的损伤定位,确定结构是否存在损伤及损伤的大致位置;然后采用面向节点的损伤定位法,确定子结构中螺栓松动损伤的节点位置。研究结果表明：损伤识别的成功率与杆件灵敏度密切相关,为了保证识别结果准确性,其灵敏度达到2%以上才能正确识别,当杆件的灵敏度过低时将无法通过动力测试识别;采用分步损伤定位方法可以显著减少损伤精确定位时训练样本的数量,适合于不完备的模态数据,利用低阶模态数据即可准确识别损伤的子结构与节点位置。