环境激励下水工混凝土结构的模态识别与损伤诊断方法

摘要

水工混凝土结构包括混凝土坝、船闸、溢洪道和引水塔等建筑物，这些建筑物一旦发生破坏，将可能会对下游人民的生命安全及财产安全带来极大的隐患，因此对于水工混凝土结构的安全监测及健康诊断显得至关重要。传统的人工监测费时费力且难以对结构内部的实时状态进行及时、有效的判断，对于水库大坝的应力、位移、水位等静力要素的监测可借助统计模型对结构的运行状态做出一定程度的评判，而动力监测可借助地震、泄流及人为活动等环境激励的作用对结构的分部及整体进行实时监测，在时效性及经济性方面有很突出的优势。本文针对环境激励下水工混凝土结构模态识别及损伤诊断问题，在实测结构地震响应及数值仿真的基础上进行研究。主要研究内容和成果如下： 模态识别方法根据识别域主要分为时域、频域和时频域，各种方法可根据实测振动数据识别得到系统模态。在结构模态识别中，即使在结构未发生变化的情况下，各次结构的识别结果因不同激励源及噪声等因素也往往存在一定的随机性，尤其是数据较多的情况下，提取结构稳定模态存在一定的困难。本文提出了基于模态识别的系统特征稳定模态动态聚类提取方法，并借助一个重力坝的实际工程算例，验证了本文所提出稳定模态动态聚类方法的适用性及可操作性。 针对环境量对结构模态的影响效应这一问题，结合结构动力学理论、有限元法及模态识别技术进行定性研究。采用附加质量法来模拟水库动水对坝体上游的作用，借助有限元数值计算及模态识别技术，分析水位对水工混凝土重力坝模态的影响，结果表明重力坝的特征频率随着水位的降低呈现出增大的特点。根据相关学者的研究成果，即温度改变而导致结构模态发生变化主要是由于其弹性模量发生改变，采用有限元法进行数值计算及模态识别技术，分析环境温度对水工混凝土重力坝模态的影响，结果表明在各水位下重力坝的特征频率随着环境温度的增大而减小。 分析了结构损伤诊断的频率指标在结构受损情况下的变化机理。针对在实际工程中因损伤引起结构模态变化幅度可能较小而导致难以辨识的问题，将局部离群因子算法引入到水工混凝土结构的损伤诊断中，提出了基于局部离群因子(local outlier factor，LOF)的水工混凝土结构损伤诊断方法。在数值分析和工程实例中取得了非常不错的效果。 本文在水工混凝土结构模态识别与损伤诊断方面做了一定程度的研究，指出了稳定模态聚类方法，定性分析了环境量对水工混凝土重力坝模态的影响规律，提出的基于LOF的水工混凝土结构损伤诊断方法为应对水工混凝土结构因损伤引起的模态指标微小变化辨识的问题提供了新的解决思路，以上成果可为后期进一步研究提供一定的基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 模态参数识方法及其应用研究现状

1.2.2环境量对模态参数的影响研究现状

1.2.3 结构损伤诊断监控模型研究现状

1.3 本文主要研究内容及主要工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 基于聚类的结构稳定模态识别方法

2.1 结构模态识别方法

2.1.1 频域法

2.1.2 时域法

2.1.3 时频域法

2.2 稳定模态参数动态聚类

2.2.1 动态聚类的基本思想

2.2.2 模态动态聚类的过程

2.3 工程实例

2.4 本章小结

3 环境量对水工混凝土结构特征模态的影响

3.1 有限元分析理论

3.1.1 模态分析

3.1.2 时程分析

3.2 库水位影响

3.2.1 库水位对坝体动力特性的影响分析

3.2.2 库水的数值模拟

3.3 环境温度影响

3.3.1 环境温度对坝体动力特性的影响分析

3.3.2 温度变化效应的模拟

3.4 工程算例

3.4.1 水位对模态的影响分析

3.3.3温度对模态的影响分析

3.4本章小结

4 基于LOF的水工混凝土结构损伤诊断方法

4.1 结构损伤对其固有频率的影响

4.2基于ICA的损伤诊断方法

4.3局部离群因子（LOF）算法

4.4 损伤诊断指标控制限

4.5 基于LOF的水工混凝土结构损伤诊断方法

4.6 工程算例

4.6.1 数值仿真

4.6.2工程实例

4.7本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果