基于结构响应统计特征的神经网络损伤识别方法

提出一种采用结构动态响应的统计特征作为损伤指标的神经网络损伤识别方法,并对其进行了数值模拟和实验验证。首先,通过敏感性分析,分析了采用结构动力响应的统计特征作为损伤指标的可行性;然后数值模拟了一三跨连续梁采用结构位移方差作为损伤指标的神经网络损伤识别过程,其结果表明,经过训练的神经网络可以准确的识别出单损伤和多损伤工况中的损伤位置和损伤程度;最后进行一组两端固定的简支梁模型实验来验证所提出损伤识别方法的有效性。实验结果表明,对于单损伤工况,神经网络可以准确地识别出结构中损伤位置和损伤程度,对于双损伤工况,神经网络可以准确地识别出损伤位置,而损伤程度识别略有偏差。最后得出结论,采用结构动力响应的统计特征作为损伤指标的神经网络损伤识别方法是可靠有效的。     

简支梁桥与多跨连续梁桥上移动荷载的识别与参数分析

移动车辆荷载反复作用会导致桥梁疲劳损伤甚至破坏,移动荷载识别是桥梁健康监测的重要措施之一。采用样条函数逼近法对简支梁桥与多跨连续梁桥上的移动荷载进行识别和参数分析。基于模态叠加法和梁固有振动的精确解,建立了移动荷载作用下简支梁和连续梁的运动方程;利用样条最小二乘法逼近桥梁应变响应,由样条数值微分求得响应导数;再通过Tikhonov正则化方法结合奇异值分解技术得到了荷载识别的正则解。对一简支梁和一三跨连续梁进行了数值仿真,并对一些影响因素进行了参数分析。利用已有的试验数据验证了方法的可靠性。结果表明,样条函数逼近法能有效地识别简支梁与连续梁桥上的移动荷载,具有很强的实用性和抗噪性能;而且简支梁桥上的荷载识别精度和抗噪性能高于连续梁桥;利用Tikhonov正则化方法可得到荷载识别的稳定解,并有利于提高识别精度,降低对噪声的敏感性。     

去噪正则化模型修正方法在桥梁损伤识别中的应用

以传统基于灵敏度分析的有限元模型修正方法为基础,提出一种结合小波去噪过程的正则化模型修正损伤识别方法.为改进模型修正方法损伤识别效果,一方面利用有损结构模态与模态噪声的波形在时频域内的差异,以结构有限元模型为基准,对实测模态差进行小波去噪处理,并利用修正后的模态构造目标函数;一方面采用正则化方法改善反问题求解的非适定性.由于从输入数据和求解过程两方面同时改善了结构损伤识别反问题的求解,因此可以有效抑制实测模态参数中噪声的影响,正确识别结构损伤.以连续梁桥模型为例的损伤识别数值模拟表明,所提出方法在保持识别算法鲁棒性、抑制噪声的同时,可有效提高桥梁结构损伤的识别精度.     

基于模态应变能和小波变换的结构损伤识别研究

针对单一方法对结构同时发生多处不同程度损伤识别的不敏感性缺陷,本文结合小波变换在时域、频域内表征信号局部特性且能够聚焦到信号或函数的任意细节进行处理的能力,提出了一种基于单元模态应变能和小波变换的结构损伤识别方法。在单元模态应变能基础上,利用小波变换系数的变化和分布情况构建单元模态应变能小波变换结构损伤指标,通过对简支梁的数值模拟和斜拉桥模型试验研究的结果与单元模态应变能平均变化率作为损伤识别指标的计算结果进行对比,结果表明该方法能有效确定结构同时发生多处不同程度损伤的位置和估计损伤程度,为实际工程应用奠定了基础。     

基于同步挤压小波变换的时变结构损伤识别方法研究

提出一种基于同步挤压小波变换的时变结构损伤识别方法。采用小波总能量指标识别时变结构的损伤位置,然后对损伤位置处的响应信号进行同步挤压小波变换,识别其瞬时频率并重构本征函数分量信号。在此基础上,求解响应信号的模态振型参与系数比值并联合瞬时频率共同构建了一个新的时变损伤指标(TVDI)。采用一个刚度突变和线性变化的简支梁数值算例对提出的小波总能量和TVDI损伤指标进行了验证,结果表明,提出的指标能够准确地识别结构的损伤位置和时变损伤。     

基于应变模态的连续梁动挠度识别

为了实现基于应变测量的连续梁动挠度识别,提出了一种基于应变模态的梁结构动挠度监测方法。利用应变传感器进行应变测试获得梁的动应变数据,由动应变数据的互相关函数求出应变模态振型,利用应变-位移转换关系求出位移模态振型,再由动应变数据和应变模态振型计算出位移模态坐标,最后根据计算出的位移模态坐标叠加位移模态振型得到梁结构的实时挠曲线,从而实现对动挠度的监测。为了验证方法的有效性,对连续梁在脉冲激励及地震作用下的动挠度进行了数值模拟,并进行了简支梁力锤锤击实验。数值模拟及实验的结果表明,基于应变模态监测梁结构动挠度是可行的,且具有较高的精度。     

基于静态参数识别的火灾后混凝土结构受火温度估计

工程中通常需要对遭受火灾而未倒塌的混凝土结构进行安全评价,以确定其损伤程度,为结构的拆除或加固提供可靠依据。结构外表面和内部曾受到的受火温度是火灾后混凝土结构安全评估研究中关注的关键问题,也是其是否安全的判定准则之一。该文基于静态测量数据的参数识别方法,利用混凝土受火逐层损伤的特性以及火灾后力学参数与温度的对应关系,建立了估计火灾后混凝土结构内的温度梯度分布的反演格式和算法。最后通过数值算例验证了该方法的可行性和准确性。     

量子粒子群结合小波变换识别结构模态参数

通过对结构响应进行连续小波变换将多自由度模态参数识别转化为多个单自由度模态参数识别。建立小波骨架理论公式与由结构输出信号计算而得的小波骨架之差为目标函数的优化问题,通过搜索包含于小波骨架理论公式中的模态参数的取值而使目标值最小,从而将优化问题转化为模态参数识别问题。量子粒子群算法是一种基于群体智能理论的优化算法。将量子粒子群算法应用到上述方法中一次性识别出结构的频率、阻尼和振型。最后采用数值模拟的简支梁对该方法进行有效性验证。结果表明,量子粒子群算法结合连续小波变换可以有效地识别环境激励下的结构模态参数。     

基于柔度差曲率矩阵的结构损伤识别方法

柔度是较频率和位移模态更敏感的结构损伤标示量。提出利用结构损伤前、后的柔度矩阵,先后对柔度矩阵差的列、行进行两次差分,求得柔度差曲率矩阵(δFlexibility Curvature Matrix),并以其对角元素作为检测结构损伤指标(δFCMD)的新方法。该方法仅需低阶模态参数即可进行损伤检测,不论对简支梁、悬臂梁、固支梁,或多跨连续梁,单一位置损伤、支撑处损伤、轻微损伤,还是多种损伤共存,均具有损伤定位的能力、并能定性反映损伤程度。通过与已有的柔度差、柔度变化率、均匀荷载面曲率差等柔度指标的数值模拟分析研究,显示了该指标检测损伤的有效性和优越性。     

采用改进单元刚度折减系数法识别结构损伤

提出了结构损伤识别的两阶段方案,在利用改进的损伤变量进行损伤定位的基础上,采用前几阶振型扩充得到完备模态空间,结合改进的单元刚度折减系数方法进行损伤定量.分别选取了简支梁和连续梁仿真算例进行验证.结果表明在仅采用较少低阶模态的情况下,识别效果比原损伤变量和单元刚度折减系数法明显更优,能在一定噪信比下进行较准确的损伤定位和定量分析.     

基于转角模态小波分析的弹性地基梁损伤识别研究

基于转角模态小波变换研究了带刚度下降段的弹性地基梁损伤识别问题,提出了采用文克尔地基力学模型,用等效刚度代替梁内损伤段的刚度,通过有限元计算求解损伤梁的转角模态参数,来识别梁内刚度下降段位置的方法.以两端简支弹性地基梁为例,分别考虑了梁单独损伤、弹簧单独损伤、梁和弹簧同时损伤且损伤位置不同的三种情况,通过建立带损伤段梁的有限元模型,用Lanczos法对结构的转角模态进行了计算分析;再应用mexh小波对其进行连续小波变换,通过小波系数模极大值点判断梁内刚度下降段的位置.数值算例验证了方法的有效性,研究对工程结构损伤诊断的应用具有参考价值.     

基于改进小波包能量的梁式结构损伤识别

利用小波包变换技术将结构的节点曲率响应分解到不同模态,选择能量较大的结构单阶模态响应构造损伤指标,使得损伤指标具有较强的噪音鲁棒性和损伤敏感性。通过统计损伤指标超过损伤预警值的次数来识别损伤,进一步降低了环境噪音对识别结果的影响。通过多种不同损伤工况的简支梁数值算例和实验验证了该方法的有效性。结果表明,该方法能够用于工程实际,当响应信号中的噪音在10%以下时,此方法能够准确的识别出较小程度的结构损伤。     

基于同步挤压和时间窗的时变结构损伤识别

在连续小波变换的基础上,运用同步挤压和时间窗思想,提出了新的时变结构损伤识别指标。通过简支梁刚度突变、刚度线性变化和简支梁多点时变损伤三个数值算例对提出的损伤指标进行了验证,结果表明:该指标能够有效地识别结构的时变损伤,且时间窗的选取基本上不影响时变损伤指标的取值。     

曲率模态和小波包变换在结构损伤识别中的应用

小波包变换相比传统的Fourier变换,对非平稳信号分析具有良好的特性.利用小波包变换的特性,根据曲率模态损伤检测原理提出了一种基于小波包组分能量变化率作为损伤指标的分析方法.通过一简支梁结构的数值模拟,表明该方法对于判定损伤存在和确定损伤位置是有效的.     

基于小波分析的Timoshenko梁裂缝识别研究

采用等效转动弹簧代替梁内的不扩展横向裂缝,研究Timoshenko裂缝梁的横向振动特性,建立了一种与有限元分析相结合的、基于模态参数的小波分析识别Timoshenko梁内裂缝的方法。以一简支梁为例,通过建立含横向不扩展裂缝的Timoshenko梁的有限元模型,用Lanczos法对结构的模态进行了计算分析,求出了基本振型和转角模态。分别应用mexh小波和db小波为母小波对二者做小波变换,进行多尺度分析,通过小波系数模极大值位置识别出梁内的裂缝。并对识别结果进行对比,发现识别Timoshenko梁裂缝时,基于转角模态小波变换的方法对小波基、尺度的要求较低,变换后的小波系数线更为平滑,奇异性特征更为明显,故运用转角模态小波变换来识别Timoshenko梁裂缝,较之运用基本振型小波变换的方法更为方便、有效。该方法对Timoshenko梁裂缝识别的工程应用具有参考价值。     

利用振动响应的多种结构损伤识别方法比较

利用梁结构的不同模态参数(位移模态、转角模态、曲率模态)开展了梁结构裂纹萌生阶段的小尺度损伤识别方法的研究。首先,通过振动响应计算两跨简支梁的位移模态、转角模态以及曲率模态。其次,结合连续小波变换多分辨率和奇异性分析特性,计算3种模态参数变换后的小波系数,以辨识结构模态参数的奇异性。再次,通过对数值仿真数据加入不同程度随机噪声的方法来对比分析各方法对于结构损伤的识别效果。最后,通过实验测试数据分析各模态参数的损伤识别方法对于实际结构损伤识别的效果。结果表明,基于3种不同模态参数的损伤识别方法均能对小尺度的结构损伤进行定位,但各方法的抗噪性能不同,转角模态的抗噪性能最好,而位移模态次之,曲率模态较差。实验结果显示利用转角模态参数的损伤识别效果较好,而根据位移模态与曲率模态参数的识别效果相近,但曲率模态参数方法在较小损伤处的识别结果更容易被干扰。这为在工程实际中根据环境及振动响应特点进行损伤识别参数的选取提供了一定参考。     

基于响应协方差小波变换和SVD的结构工作模态参数识别

对系统响应的协方差作小波的时频分解,利用信号互协方差与自协方差的小波变换系数的比值来识别结构的工作模态振型,由矩阵奇异值分解(SVD)从小波变换时频分析结果确定小波脊,通过实际结构多测点数据,利用小波系数比值来反映振型,识别结构各阶工作模态参数(固有频率、阻尼比和振型)。用数值模拟算例和实桥环境振动试验数据对方法进行了验证,并与频域峰值法和时域随机子空间识别方法结果进行了比较,结果表明,该方法可以准确地识别出结构的工作模态参数,特别是阻尼和振型的识别。     

基于小波变换与Lipschitz指数的桥梁损伤识别研究

针对连续小波变换与Lipschitz指数在识别信号奇异性上的优越性,以裂缝模拟桥梁损伤,提出基于小波变换与Lipschitz指数的损伤识别方法。对损伤结构位移模态进行小波变换,用小波系数灰度图及模极大值轨迹图进行损伤定位,并用Lipschitz指数评价损伤程度。理论推导裂缝梁的Lipschitz指数范围,并数值计算验证该方法识别结构裂缝损伤的有效性。考察Euler梁及Timoshenko梁、不同程度损伤、多位置损伤、稀疏测点布置及噪声测试等多种因素对损伤识别效果影响。     

不同受火方式后混凝土短柱的抗震性能

通过对5个混凝土短柱的拟静力试验,其中1个为未受火短柱,1个为四面受火后短柱,2个为三面受火后短柱,1个为邻面受火后短柱,考察受火方式和水平力加载方向对短柱的破坏形态、受剪承载力、刚度、延性和滞回耗能等特性的影响情况。建立有限元模型对短柱进行火灾全过程下温度场分布和灾后单向推覆过程的数值模拟,并利用试验结果验证数值模型的有效性。结果表明:随混凝土柱受火面数量的减少,截面中心处的最高过火温度、短柱的受剪承载力和耗能能力的损伤显著减少。受火120 min后,四面、两种三面、邻面受火后混凝土短柱截面形心处最高过火温度分别为341℃、267℃和251℃、191℃。与未受火短柱相比,四面、两种三面、邻面受火120 min后混凝土短柱的受剪承载力分别降低了41.2%、18.6%和18.8%、6.6%,1/50位移角循环结束时短柱的累积滞回耗能分别降低了46.2%、27.6%和28.9%、12.4%。对于三面受火后混凝土短柱,水平力沿对称轴作用和垂直对称轴作用两种加载方向作用下抗震性能大致相同。建立的有限元模型能较好预测不同受火方式后截面的温度发展历程和灾后受剪承载力。     

火灾后型钢混凝土柱剩余承载力数值模拟分析

利用MSC.MARC软件对火灾后型钢混凝土柱的截面温度场及剩余承载力进行了模拟分析,数值分析结果得到了试验验证。考虑混凝土强度、长细比、含钢率、荷载偏心率、受火时间等参数,利用MSC.MARC软件对ISO834标准火灾作用后型钢混凝土柱剩余承载力进行了进一步计算。计算结果表明,经历ISO834标准火灾作用后,型钢混凝土柱的极限承载力显著降低,在该文参数范围内,承载力降低幅度在8.5%~45.3%变化。定义火灾作用后型钢混凝土柱剩余承载力与常温下型钢混凝土柱极限承载力的比值k为火灾后型钢混凝土柱剩余承载力影响系数。数值模拟分析结果表明,混凝土强度、截面含钢率、受火时间对k值的影响较大,而长细比、偏心率对k值的影响相对较小。在数值计算结果基础上,通过回归分析的方法得到了火灾后型钢混凝土柱剩余承载力影响系数k的简化计算公式,公式计算结果与数值模拟分析结果符合较好。