基于统计模式识别的结构损伤诊断方法与应用研究

摘要

新世纪土木工程学科面临许多重大的科学研究问题。如何分析工程结构的损伤、灾害演化规律，如何监测结构的健康和安全状态，以及如何评估结构的剩余使用寿命，是结构健康监测所要研究解决的问题，也是世界范围内土木工程领域的前沿课题之一。损伤诊断是结构健康监测中从硬件到软件、从事实到判断的关键一环。本文以润扬长江大桥南汉悬索桥为研究对象，围绕火跨悬索桥结构损伤诊断这个主题，遵循“理论研究——试验（数值）研究——应用研究”的步骤，系统地开展了基于统计模式识别的大跨悬索桥结构损伤诊断的理论、方法与应用研究，并将研究成果应用于润扬大桥悬索桥结构健康监测系统。本文的主要工作和成果如下： 1、基于统计模式识别技术提出了一种新的结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序。主要内容是：①将结构损伤诊断在统计模式识别的理论框架下归纳为四个步骤：数据采集与预处理、系统建模、特征提取与统计判别：②运用时序分析方法对监测数据建立系统模型，建立了表征结构状态的模式向量：③对模式向量进行特征提取，实现了模式向量到特征向量的信息凝聚：④对特征向量进行统计判别，提出了一种新的结构损伤敏感指标DSPR；⑤通过假设检验DSPR指标在损伤前后的变化，实现了对结构状态的损伤诊断，建立了本文方法完整的算法程序。 2、对环境激励下Benchmark结构进行分析，为结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序提供试验验证。主要内容是：①选择环境激励下Benchmark结构损伤试验从微小损伤到严重损伤的各种工况进行分析：②考察损伤敏感指标对结构损伤发生的预警能力；③考察损伤敏感指标对结构损伤程度的识别能力。研究结果表明，本文方法对Benchmark结构的健康与损伤状态具有稳定的识别能力，在微小损伤出现时也能有效辨识结构动力响应的异常。同时，该指标对Benchmark结构的损伤程度也具有一定的识别能力，能根据其损伤程度的不同给出相应的报警阈值。 3、对润扬大桥悬索桥基准有限模型进行损伤分析，为结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序提供数值试验验证。主要内容是：①完整地阐述了大跨悬索桥基准有限元模型的建模技术，给出了悬索桥结构损伤的数值模拟方法；②从损伤敏感性的角度考察DSPR能否有效识别主缆、吊索、钢箱梁的损伤：③从噪声鲁棒性的角度考察DSPR能否有效识别不同信噪比条件下主缆、吊索、钢箱梁的结构损伤。研究结果表明，本文方法能有效识别频率相对变化2％以下主缆的各种损伤程度，对于吊索、钢箱梁在频率相对变化1％以下的损伤均能做到有效预警。噪声鲁棒性方面，该方法在噪声干扰下对绝大多数损伤工况的识别能力最强可达5dB，具有良好的抗噪声干扰能力。 4、将本文提出的结构损伤敏感指标DSPR及其算法，应用于润扬大桥悬索桥实测动力响应数据，实现了环境激励下悬索桥结构正常运营、突发事件两类典型工况的状态实时监测。主要研究成果是：①正常运营条件下获得的结构振动DSPR曲线，反映了每日温度变化和交通流量的综合影响，DSPR的各项统计值稳定在一定范围之内，可作为日常监测的有效控制阈值；②台风激励前后获得的结构振动DSPR曲线，可有效识别外界强烈激励条件下结构状态的变化，分析DSPR在突发事件后的回复状况，可有效地预估悬索桥的结构完整性：③编制了基于统计模式识别的结构损伤诊断程序，初步实现了悬索桥结构损伤诊断的工程应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1 章 绪论

1.1 结构健康监测概述

1.2 结构损伤与损伤诊断

1.2.1 结构损伤

1.2.2 结构损伤诊断

1.2.3 结构损伤诊断的研究现状

1.3 本文的研究思路及内容

1.3.1 研究思路

1.3.2 主要内容

第2 章 基于统计模式识别的结构损伤诊断原理与方法

2.1 引言

2.2 基本概念与方法

2.2.1几个基本概念

2.2.2 基本方法与主要步骤

2.3 系统模型

2.3.1 ARMA模型及其特性

2.3.2 建模方法与步骤

2.4 特征提取

2.4.1 主成分分析

2.4.2 基于ARMA模型的特征提取

2.5 统计判别

2.5.1 数值算例

2.5.2 判别函数的建立

2.6 基于统计模式识别的结构损伤诊断算法程序

2.7 本章小结

第3 章 Renchmark结构损伤诊断试验的分析研究

3.1 引言

3.2 Benchmark结构试验概况

3.2.1 问题的提出

3.2.2 Benchmark结构

3.2.3 Benchmark损伤试验

3.3 基于统计模式识别的Benchmark结构损伤诊断

3.3.1 试验数据

3.3.2 损伤诊断步骤

3.3.3 损伤诊断结果

3.3.4 讨论

3.4 本章小结

第4 章 大跨悬索桥结构损伤诊断方法的数值研究

4.1 引言

4.2 润扬大桥悬索桥的基准有限元模型

4.2.1 润扬大桥悬索桥概况

4.2.2 基准有限元建模中的关键问题

4.2.3 模型验证

4.3 润扬大桥悬索桥结构损伤诊断的数值试验研究

4.3.1 损伤工况的模拟

4.3.2 损伤敏感性分析

4.3.3 噪声鲁棒性分析

4.4 本章小结

第5 章 润扬大桥悬索桥健康监测数据的损伤诊断分析

5.1 引言

5.2 润扬大桥结构健康监测系统的设计与实现

5.2.1 总体构成及功能

5.2.2 结构健康监测系统

5.2.3 结构安全评估系统

5.2.4 数据库及软件实现

5.3 润扬大桥悬索桥的模态频率分析

5.3.1 实测动力响应

5.3.2 实测动力响应的模态频率分析

5.4 润扬大桥悬索桥健康监测数据的统计模式识别

5.4.1 方法与步骤

5.4.2 识别结果

5.5 本章小结

第6 章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间作者撰写的论文

致谢