桥梁结构损伤识别的动力指纹方法研究

摘要

近年来，结构损伤识别在土木和航空等领域迅速发展起来，但大量的损伤识别方法面对大型结构时却遇到了许多实践上的困难，尚有许多问题值得深入研究。在诸多结构损伤识别方法中，基于动力测试数据的识别方法有远程在线的潜在优势，因此动力损伤识别方法受到了极大的关注。本文首先对结构损伤识别的研究现状、研究的主要难点进行了分析。然后针对结构动力损伤识别中动力指纹的基本问题进行了系统研究，主要完成了以下六个方面的工作。 1．对于目前损伤识别领域所用到的动力指纹进行了概括和分类。将动力指纹分为四个大类：传递特性类动力指纹、复杂函数类动力指纹、传递曲率类动力指纹和特征参数类动力指纹。逐一对这些动力指纹进行分析研究，对每种动力指纹的计算方法、适用范围进行了系统的总结。 2．研究了几种常用动力指纹抵抗干扰的能力。首先对模态参数的噪声来源进行剖析，并据此给出其理想化的噪声分布公式。按概率统计相关理论推导了动力指纹的噪声分布，并得出了一些具有指导意义的结论。本文还基于系统灵敏度分析理论，推导了结构的损伤灵敏度理论公式。在动力指纹噪声灵敏度和损伤灵敏度分析的基础上，提出了衡量动力指纹抵抗干扰能力的综合性能评价指标，为特征比选提供了量化的参考依据。 3．利用模式识别中特征提取和特征选择的基本理论，将动力指纹库进行适当的变换，得到了具有良好可分性的优化特征库。主要对基于相关分析、遗传算法的特征选择和基于主成分分析、Fisher判别分析、三谱相辅分析的特征提取等方法开展研究。并提出了针对结构损伤识别问题的特征向量优化策略，为工程的实际应用提供了有效的实施方案。 4．从模式分类的角度对结构的损伤位置和损伤程度进行识别，其核心问题就是如何合理设计分类器。本文研究了近邻法、判别分析、人工神经网络(BP神经网络、RBF神经网络)三种分类器的具体算法，并分析了它们在结构损伤识别中各自的优势和局限性。 5．多重子步法是解决复杂结构损伤识别问题的有效途径，对结构进行区域划分是多重子步法的基础工作。本文将模糊关系聚类和模糊C均值聚类用于损伤区域的划分中，提出了基于优化动力指纹库的软分区方法。这相当于对优化特征库进行重组，使动力指纹从特征和模式两个不同角度均进行了优化，降低了损伤定位的难度，提高了损伤识别的精度。 6．研究了连续梁桥损伤识别过程中基本特征库的构建、灵敏度分析、特征库的优化、分类器的设计等相关问题的程序实现方法，并以MATLAB为平台编制相应的计算程序。以某三跨混凝土连续箱梁桥为例，验证了本文理论的正确性和可行性。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1桥梁健康监测系统概述

1.2结构损伤识别研究现状

1.2.1研究概况

1.2.2有反演的静力识别方法

1.2.3有反演的动力识别方法

1.2.4动静力联合反演识别方法

1.2.5模式识别方法

1.2.6基于时频分析的识别方法

1.3研究的主要困难和方向

1.4本论文研究的主要内容

第二章 结构动力指纹分析理论

2.1结构动力指纹分析的基本概念

2.1.1概述

2.1.2模态参数识别方法

2.1.3动力指纹分类

2.2结构模态参数的噪声研究

2.2.1测试及环境条件的影响

2.2.2结构的不确定性

2.2.3模态参数的噪声理想化模型

2.3动力指纹灵敏度分析

2.3.1灵敏度分析基本理论

2.3.2噪声灵敏度

2.3.3损伤灵敏度

2.4振型的扩展与修正

2.4.1振型扩展

2.4.2振型修正

2.5小结

第三章 特征选择与特征提取

3.1概述

3.2特征选择的基本原理及计算方法

3.2.1特征选择的基本原理

3.2.2相关分析法

3.2.3遗传算法

3.3特征提取的基本原理及计算方法

3.3.1主成分分析

3.3.2 Fisher判别法

3.3.3三谱相辅的基本理论

3.3.4三谱相辅的特征提取策略

3.4结构基本特征库的优化

3.5小结

第四章 基于动力指纹的模式识别方法

4.1模式识别概述

4.2近邻法

4.2.1最近邻法

4.2.2 K近邻法

4.3线性判别分析

4.3.1线性判别函数和判定面

4.3.2广义线性判别分析及多类问题

4.3.3线性分类器

4.4人工神经网络

4.4.1 BP神经网络

4.4.2 RBF神经网络

4.5多重子步法

4.5.1硬分区法

4.5.2软分区法

4.6小结

第五章 连续梁桥数值试验

5.1工程概况及数值计算假定

5.2噪声灵敏度和损伤灵敏度分析

5.2.1频率和振型灵敏度分析

5.2.2其它动力指纹计算结果

5.3基本特征库的建立和三谱相辅分析

5.3.1基本特征库

5.3.2相关分析

5.3.3三谱相辅特征提取

5.4遗传算法

5.5主成分分析与Fisher判别分析

5.6基于动力指纹的连续梁桥损伤识别

5.6.1损伤位置的识别

5.6.2损伤程度的识别

5.6.3不同特征库下损伤识别的比较

5.7多重子步法的损伤识别

5.8结构多损伤下的识别

5.9小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研工作