斜拉桥桥面结构损伤位置识别的指标比较

以香港汲水门大桥为背景,应用高精度三维有限元模型,对斜拉桥桥面结构损伤位置识别的模态曲率指标、模态柔度指标和斜拉索张力指标进行了比较研究。主要比较了(1) 在无噪声情况下,三损伤指标对各种不同损伤情况的识别效果;(2) 三损伤指标对损伤程度的敏感性;(3) 三损伤指标的抗噪声能力。获得以下结论: (1) 曲率和柔度指标在损伤定位上对不同类型的损伤情况显现一定的互补性; (2) 同曲率和柔度指标比较,索张力指标对不同的损伤程度呈现较好的稳定性;(3) 对大多数损伤情况,柔度指标的抗噪性最好,曲率指标最差。     

利用模态柔度曲率差识别框架的损伤

采用结构模态参数进行损伤识别是研究较早，应用较多的无损探伤检测方法。提出了一种称为模态柔度曲率差的损伤检测指标。该指标利用模态柔度，不仅比频率和振型更敏感，而且对高阶模态的依赖大为减小。此外，曲率的采用也增加了其对损伤的敏感程度。对两个框架有限元模型进行了分析，详细比较了该指标和振型曲率改变率等其它一些指标在不同的损伤分布和损伤程度下的损伤识别效果，发现模态柔度曲率差识别效果最好，结果最稳定。     

基于模态柔度曲率的损伤检测方法

由于模态柔度对结构损伤的高灵敏性,各种基于模态柔度的检测指标在结构无损探伤NDE(Nondestructive Damage Evaluation)中应用较多,如模态柔度差、模态柔度改变率和均匀荷载面曲率差等。这些指标经应用验证都具有一定的有效性。在此基础上,采用模态柔度曲率的改变构建一种新的指标,称为模态柔度曲率差(MFC)。尽管均匀荷载面曲率差也采用曲率,但不同的是它先将模态柔度矩阵按行加起来,再求损伤前后的曲率差。而提出的模态柔度曲率差则按列计算损伤前后模态柔度矩阵的曲率差,然后挑选每列里面最大的值作为指标。采用一个简支梁和一个四跨连续梁为算例,考虑各种损伤情况,将该指标与模态柔度差、模态柔度改变率和均匀荷载面曲率差、以及振型曲率改变率等指标进行了比较,证明了模态柔度曲率差检测损伤的有效性和优越性。     

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。     

柔度曲率法在输电塔损伤识别中的应用

在结构指纹识别方法中,基于柔度法的损伤识别方法能够较好地识别损伤所在位置及程度,在柔度法的基础上构建柔度曲率损伤识别指标及柔度矩阵曲率差损伤识别指标,并将其引入到输电塔结构损伤识别中。由于输电铁塔具有三个平动分量,所构建的两种损伤识别指标也具有三个方向分量,其在输电塔上的识别效果需要进一步分析。建立51 m酒杯型输电塔模型,分别采用两种指标对结构不同程度的单损伤及多损伤进行识别。研究结果表明,仅结构垂直方向分量的损伤识别指标能够识别结构损伤,但柔度曲率对于小损伤位置无法识别;柔度矩阵曲率差对小损伤位置也能较好地进行识别。     

大跨斜拉桥扁平钢箱梁的多尺度损伤分析研究

以润扬大桥斜拉桥为分析对象,提出了扁平钢箱梁结构的多尺度损伤分析方法。采用子结构方法将钢箱梁结构全尺度动力响应和细节尺度构件损伤相互衔接实现多尺度损伤分析。在此基础上对模态曲率、模态应变能、模态柔度和斜拉索索力指标的损伤识别效果进行了比较研究。分析结果表明:(1)无噪声情况下,除了模态柔度指标不能够正确识别钢箱梁腹板损伤以外,各损伤指标均能正确识别其余所有损伤工况。(2)对大多数情况,柔度指标的抗噪性最好,曲率指标和应变能指标次之,索力指标最差;(3)应变能指标和柔度指标在钢箱梁结构损伤定位上具有一定的互补性。     

结构损伤诊断的模态柔度差曲率法

为了使损伤更加明确显示,在求得结构损伤前后的模态柔度差之后,建立模态柔度差曲率作为二维结构的损伤指标来诊断损伤。考虑多种损伤情况,对二维结构进行了数值模拟,并用不同类型的指标进行了诊断。对比结果表明,该文指标与模态柔度曲率差指标所得结果基本上是相同的,且该文方法计算工作量要小。为了弥补利用模态柔度曲率差指标在诊断三维结...     

基于频率响应和统计理论的结构损伤识别研究

为了解决测量噪声下的损伤定位和定量识别问题,提出了基于测量位移的两阶段识别方法和基于统计理论的损伤敏感度分析方法。首先利用损伤刚度的改变特性和测量位移来确定损伤指标,再通过损伤指标的相关自由度变化来确定损伤单元,然后利用自由度缩聚的方法推导出损伤程度的定量计算公式。并利用统计理论来分析噪声对识别结果的影响,推导出损伤指标和损伤程度的噪声敏感性计算公式。数值仿真结果表明,基于测量位移的两阶段损伤识别方法不仅可以精确的识别出损伤位置和程度,而且识别效果受测量噪声的影响较小,该方法明显优于直接广义逆法。     

一种基于频率响应曲率的损伤检测多步判定方法

在频率响应曲率指标基础上,提出了一种多步的检测方法,使用少量的传感器进行多步判定,来提高损伤定位的准确性和可靠性。通过简支梁的有限元数值算例,详细比较了改进的模态曲率方法、改进的柔度曲率方法和该文提出的方法对梁状多损伤结构的识别效果和抗噪能力。最后采用试验建模的技术,对局部减薄的多损伤管道和局部裂纹的单损伤管道进行损伤识别试验,结果验证了该方法的优越性,对解决实际工程结构的损伤检测问题具有一定的意义。     

基于吊索局部振动与神经网络技术的悬索桥损伤定位

基于由吊索局部振动测试构建的吊索张力指标,应用神经网络技术对悬索桥结构损伤位置和程度识别进行了探讨。首先应用经校正的三维有限元模型,对该方法进行了较为详细的数值模拟分析。模拟了多种可能的损伤工况。采用BP网络,以不同损伤程度下基于吊索频率计算的张力指标作为网络的训练与测试输入,由网络的输出向量来指示损伤位置及程度。然后,利用面向健康诊断专门设计制作的悬索桥试验模型,针对个别损伤工况进行了损伤识别的模型试验研究。数值模拟和试验研究均获得较好的损伤识别效果。该方法的突出优点是只用到少量吊索的局部模态的基频,就能获得较好的识别结果。而对少量吊索的局部模态的基频测量要比其它面向损伤检测的测量容易得多。因此,该方法具有重要的实用价值。     

基于小波包能量曲率差的古木结构损伤识别

本文以西安钟楼为工程依托,对随机激励作用下古木结构的损伤进行有限元模拟,把古木结构梁上各节点的加速度响应信号进行小波包分解,通过小波包能量曲率差对古木结构进行损伤定位。在无噪声干扰时,该指标对于古木结构的损伤定位比较敏感,可准确判定古木结构的损伤位置,该指标随损伤程度的加大而增大。该指标在高斯白噪声干扰下,当信噪比SNR大于或等于40db时,能对古木结构的损伤进行准确定位,该指标具有一定的抗噪声干扰能力。随后得出了损伤指标和损伤程度之间的函数关系式,用其进行损伤程度的判断并验算其适用性,为研究环境激励下西安钟楼的损伤预警提供了理论依据。     

环境激励及噪声干扰下斜拉桥的损伤定位方法

损伤识别是结构健康监测的核心技术之一,但至今仍没有很好的解决方法.测试噪声及各种环境不确定性干扰所导致的模态参数识别精度不高是制约损伤识别技术走向实用化的关键问题之一.针对这种情况,考虑到噪声干扰的随机性及损伤特征的稳定性,提出了基于三点直线拟合曲率的损伤综合定位方法.此方法表述如下:利用结构损伤前后多次识别得出的模态振型求得一组曲率差,将这一组曲率差中稳定为正的位置认定为损伤位置,将时正时负的位置认定为无损位置.在滨州黄河公路大桥有限元模型上进行了损伤定位的仿真分析,仿真中对滨州黄河公路大桥有限元模型共设置6种损伤情况,分别研究了在2%和5%噪声水平下的损伤定位效果,结果表明,此方法抗噪声能力较强,除上述第2种损伤情况外,其余损伤位置均能可信地判定.     

基于频响函数虚部的板结构损伤检测方法研究

仅利用损伤后的板结构频率响应函数虚部,建立二维板结构的损伤定位指标, 避免了由于建立未损伤有限元计算模型所引起的损伤检测误差。提出了一种基于测量点平均互相干性的加权格式,以减小测量系统误差对检测效果的影响。数值算例详细对比了模态振型指标、均匀载荷面指标和频率响应函数虚部指标对板结构损伤定位效果。最后,通过一多损伤薄板结构的损伤检测实验,验证了该指标具有良好的损伤敏感性和抗噪声能力。对于实际工程中的薄板结构损伤定位研究具有一定的意义。     

基于曲率尺度空间的轮廓角点检测

在曲率尺度空间和多尺度曲率积的基础上,提出了一种基于多尺度曲率多项式的角点检测算法.首先基于曲率尺度空间检测不同尺度下的角点,然后利用多尺度曲率积或曲率和对检测到的角点进行增强处理,该方法可有效抑制噪声影响,防止高尺度下对一些角点平滑;另外,根据多尺度曲率多项式结果的符号还可有效的判别所检测角点的凹凸性.采用不同的评价准则及实例图像进行测试,实验结果证明该角点检测器是非常有效的,优于文中其它两种检测算法.     

基于柔度的钢桁架结构损伤识别方法

提出了一种用于结构损伤识别的新方法--柔度曲率幅值突变系数法.该方法在不需已知结构损伤前完好状态结构动力参数的情况下,仅对当前情况进行测试得到结构的前几阶频率和振型即可求出结构的柔度曲率幅值突变系数,根据这一参数即可找到结构损伤的位置并确定结构损伤的程度.本文通过利用DASP软件对一个平面钢桁架模型进行实测得到实验数据,对这一理论进行验证,得到了较好的效果.     

框架结构损伤定位的比例柔度矩阵分解法试验研究

提出了基于比例柔度矩阵LU分解的结构损伤定位方法。该方法从结构振动响应入手,首先识别出结构前几阶模态振型和频率,构建结构比例柔度矩阵;然后对损伤前后的比例柔度矩阵差进行LU分解;最后基于U矩阵和曲率方法构建损伤指标对损伤进行定位。基于某20层框架结构进行了数值模拟损伤定位研究;并在实验室设计、建造一个6层集中质量剪切型框架模型,基于该模型分别进行了振动台试验和脉冲激励试验。模拟和试验下的单损伤和多损伤工况结果均表明:提出的方法能准确地对结构损伤进行定位。该方法只需要损伤前后测点的振动响应数据,不需要结构有限元模型,避免了复杂的结构有限元模型建模和模型修正工作;并且构建一个满足精确度的比例柔度矩阵只需要结构的前几阶低阶模态参数,而低阶参数的识别准确性相对较高,这些优点均为该方法的工程应用奠定了基础。     

基于范数归一化和稀疏正则化约束的结构损伤检测

利用结构损伤空间稀疏性进行结构损伤识别是结构健康监测领域的研究热点之一,基于结构灵敏度分析与稀疏正则化的损伤识别方法能有效识别结构损伤位置和程度,但在噪声等因素影响下,其识别结果容易出现误判和刚度强化等问题。针对此问题,基于范数归一化与稀疏正则化约束,提出了一种结构损伤检测方法;该方法在迭代求解过程中,通过增加范数归一化、稀疏正则化约束以及对模型增加牛顿迭代法约束和总损伤折减系数约束,达到减少误判、增加结果合理化和提高识别精度的目的。三种不同结构损伤识别仿真算例研究表明:增加范数归一化和模型约束后,结构损伤识别精度得到明显提高;在不同噪声水平下,所提新方法既能有效定位结构损伤又能准确识别结构损伤程度,且具有较强鲁棒性。     

矩形梁裂纹柔度测量方法研究

为了描述裂纹引起的矩形梁结构损伤程度,提出了一种基于固有频率的裂纹柔度测量方法。首先通过动力学分析求解矩形梁的前3阶固有频率,建立对应于不同裂纹位置和裂纹柔度的固有频率数据库,并将其拟合为固有频率影响曲面。然后对矩形梁进行振动测试,利用获得的前3阶固有频率去截取固有频率影响曲面,绘制出前3阶频率影响曲线,基于3条频率影响曲线的交点可以得到裂纹柔度和裂纹位置。研究结果表明该方法可以有效地测量出裂纹柔度及对应的裂纹位置。从测量过程可以看出,求解固有频率数据库的输入参数是一系列包含裂纹位置和裂纹柔度的样本点,并没有涉及裂纹的类型、形状以及裂纹柔度的计算公式。因此,该方法适用于矩形梁中不同类型和形状裂纹的柔度测量,对于含裂纹的梁结构的动力学分析和损伤识别研究具有重要的参考意义。     

强噪声下碳纤维增强树脂复合材料结构Lamb波层析损伤成像方法

Lamb波因其检测范围广、对缺陷敏感性高等特点在复合材料无损检测中广泛应用。但强噪声环境给有效信号的提取带来难度,影响损伤位置判定精度。针对该问题,提出了一种在强噪声背景下基于计盒维数和Lamb波层析成像技术的损伤定位成像方法。首先通过仿真分析了Lamb波在碳纤维增强树脂(CFRP)复合材料板损伤前后传播的特性。在选定的复合材料板上均匀布置圆形传感器阵列,以粘结质量块改变结构局部刚度的形式模拟真实损伤;其次每个传感器依次作为激励器产生Lamb波,其他传感器采集有无损伤下的响应信号,采用小波变换进行信号去噪。将去噪后的信号添加不同等级的白噪声实现噪声干扰;最后采用计盒维数计算有无损伤的信号差异确定损伤因子,并通过概率成像算法实现损伤的定位成像。实验结果表明,在强噪声环境中单损伤与多损伤成像定位最大和平均误差分别为11.18 mm和6.88 mm,该方法无需信号降噪技术,且避免了多损伤时复杂反射信号的提取过程,在强噪声下复合材料损伤定位识别方面具有较大的潜力。     

基于位移平均曲率差的桥梁结构损伤识别方法研究EI北大核心CSCD

针对结构损伤识别受外界随机荷载干扰较大的问题,提出了归一化位移均值波形的平均曲率差法。该方法将多样本组的位移响应均值作为损伤特征函数,初步消除噪声的影响;再将位移均值曲线的曲率归一化处理,并求解曲率差值,大大降低随机荷载的影响;最后以相邻测点的平均曲率差为损伤识别指标判断损伤单元。以简支梁桥和自锚式悬索桥为算例,从理论和数值模型两方面对提出方法进行验证。结果表明,所提方法既能对任一移动荷载作用下的结构进行损伤识别,也适用于随机荷载作用下的结构损伤识别。该研究还分析了不同程度噪声对识别效果的影响,从分析结果可以看出,所提方法具有较好的抗噪性能。