抗滑桩损伤识别及评估方法的振动台试验研究

摘要

我国西部多山，高海拔、高寒、高烈度的“三高”无人山区高陡边坡众多，支挡结构在这一地区的应用广泛。一方面要求支挡结构抗震性能要好，另一方面也对结构的长期服役性能监测有较高要求。为了实现对“三高”无人地区支挡结构长期服役性能的自动监测，亟待开发关于支挡结构损伤识别与评估的系统。　　本文从这一需求出发，选取了抗滑桩结构作为研究对象开展了如下研究：　　(1)总结了抗滑桩的震害机制和现有的几类损伤识别方法(第1章)。　　(2)对传递函数提取动力指纹的方法和小波包能量法识别损伤的过程进行了详细介绍(第2章)。　　(3)开展了三组(A/B/C)不同初始损伤工况下的抗滑桩大型振动台模型试验，结合试验现象和对桩身土压力、应变、PGA的分析，发现了抗滑桩最薄弱位置在滑面附近的锚固段并提出了监测布点原则，总结出加速度数据包含的信息更多，对桩身损伤也更敏感。(第3章)　　(4)针对振动台试验中桩身加速度响应，采用传递函数提取动力指纹的方法，以频率与刚度关系为基础建立了损伤定量分析公式，提出了以桩身加速度振型斜率为基础的损伤识别和定位方法。此外，分析了传递函数法需要系统输入信息等缺点，引入了只需系统响应信息的小波包能量法识别损伤。针对文中扫频波形，通过代价函数M的计算，确定了小波包分解时的小波基函数类型(Sym2)和分解层次(6)，引入有效能量比Ep确定了有效子频带数(32)。对比发现了现有4种基于桥梁和框架结构的小波包能量损伤识别指标在抗滑桩损伤识别中效果的缺点，基于损伤导致不同子频带能量在桩身的分布规律会产生变化的现象，提出了更适合于岩土体中抗滑桩结构的小波包能量损伤识别指标△ERPD，该指标具有良好的损伤定位灵敏度和抗噪性。将坡体稳定性划分为三个阶段，研究了频率、△ERPD与位移的关系，提出△ERPD在坡体稳定性评价上的优点。(第4章)　　(5)通过FLAC3D软件建立了三组不同初始损伤工况模型，分析了扫频波作用下桩身的动力响应。采用传递函数法提取了频率、振型，对频率计算损伤量的公式进行验证和理论分析，证明该公式在小阻尼锚固段的适用性，同时也验证了振型斜率对损伤定位的敏感性。基于桩身小波包能量谱，提取了△ERPD损伤指标，证明了该指标具有良好的损伤识别和定位效果。(第5章)

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 抗滑桩的震害损伤形式

1.3 国内外损伤识别方法现状

1.3.1 基于动力指纹类损伤识别方法

1.3.2 基于小波变化类损伤识别方法

1.3.3 基于模型修正类损伤识别方法

1.3.4 基于神经网络类损伤识别方法

1.4 本文研究内容及技术路线

第2章 损伤识别方法详述

2.1 动力指纹类法

2.2.1 小波变换基本原理

2.2.2 连续小波变换与离散小波变换

2.2.3 小波多分辨分析

2.2.4 小波包变换

2.2.5 小波包能量谱与损伤识别

2.2.6 小波基函数和分解层次n的选取

2.2.7 现有小波包损伤指标的定义

2.3 本章小结

第3章 抗滑桩振动台模型试验

3.1.1 相似比介绍

3.1.2 模型断面设计及传感器布设

3.1.3 抗滑桩边坡承载力数值计算

3.1.4 加载方案

3.2 试验与现象

3.2.1 A组

3.2.2 B组

3.2 振动台试验动力响应

3.2.1 正弦波动土压力分析

3.2.3 桩身应变规律

3.2.3 模型PGA放大系数分布规律

3.3 监测布点原则

3.4 本章小结

第4章 抗滑桩损伤识别

4.1.1 频率变化

4.1.2 基于自振频率的损伤定量

4.1.3 基于加速度振型与置信准则的损伤定位

4.1.4 动力指纹识别损伤的局限性

4.2.1 小波参数选取

4.2.2 现有小波包能量损伤指标对比

4.2.3 现有小波包能量损伤指标识别效果

4.2.4 新小波包能量损伤指标的提出与应用

4.3 坡体稳定性评价

4.4 本章小结

第5章 损伤识别的三维数值模拟

5.1 模型参数设置

5.2 抗滑桩模型监测布点

5.3 初始损伤的模拟

5.4.2 基于振型的损伤定位

5.4.2 基于频率的损伤定量

5.5 基于小波包能量△ERPD指标的损伤识别法

5.6 本章小结

结论与展望

结论

1 抗滑桩震后损伤的定位方法

2 抗滑桩震后损伤的定量方法

3 坡体稳定性评价

展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文