【畢業(yè)學(xué)位論文】結(jié)構(gòu)損傷綜合診斷理論與試驗(yàn)研究-地球探測(cè)與信息技術(shù)博士論文

博士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)損傷綜合診斷理論與試驗(yàn)研究 作者姓名： 劉錫軍 學(xué)科專業(yè)： 地球探測(cè)與信息技術(shù) 學(xué)院（系、所） ： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 中 南 大 學(xué) 2006 年 11 月 分類號(hào) 密級(jí) 博士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)損傷綜合診斷理論與試驗(yàn)研究 南省自科基金 (0304助 湖南省教育廳青年基金（ 05助 作者姓名： 劉錫軍 學(xué)科專業(yè)： 地球探測(cè)與信息技術(shù) 學(xué)院（系、所） ： 信息物理工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 何繼善 論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 中 南 大 學(xué) 2006 年 7 月 目 錄 摘 要 . I . 一章 緒 論 . 言 .傷的定義及特征 .構(gòu)的損傷診斷 . 結(jié)構(gòu)損傷診斷的目標(biāo) . 結(jié)構(gòu)損傷診斷方法 .構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)識(shí)別 . 參數(shù)識(shí)別 .構(gòu)動(dòng)力學(xué)損傷診斷研究現(xiàn)狀 . 頻域法研究現(xiàn)狀 . 時(shí)域法研究現(xiàn)狀 . 動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)與信號(hào)去噪 .構(gòu)損傷診斷存在的主要問(wèn)題 .文的主要工作 .二章 結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別的基本理論 .言 .構(gòu)參數(shù)頻域識(shí)別法 . 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的頻域識(shí)別法 . 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的頻域識(shí)別法 .構(gòu)參數(shù)時(shí)域識(shí)別法 . 結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的時(shí)域識(shí)別法 . 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的時(shí)域識(shí)別法 .結(jié) .三章 噪聲對(duì)參數(shù)識(shí)別精度的影響 .言 .周期信號(hào)的幅值譜密度、能量譜密度 .聲對(duì)頻域法參數(shù)識(shí)別的影響 . 隨機(jī)噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響 . 低頻噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的影響 . 頻域法對(duì)結(jié)構(gòu)弱損傷的識(shí)別 .聲對(duì)時(shí)域法參數(shù)識(shí)別的影響 . 噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)反演剛度的影響 . 有色噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)反演剛度的影響 .結(jié) .四章 信號(hào)去噪理論與方法 .言 .波分析與小波閾值去噪的基本理論 . 小波函數(shù)及其時(shí)頻特性 . 小波變換 . 多分辨率分析與 速算法 . 基于信號(hào)奇異性的小波去噪理論 .波閾值去噪方法 . 閾值法小波去噪的算法原理 . 一類可微的閾值函數(shù) . 基于可微閾值函數(shù)的自適應(yīng)閾值估計(jì) .取結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征響應(yīng)的信號(hào)去噪方法 . 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信息提取的理論依據(jù) . 基于小波包變換的信號(hào)時(shí)頻濾波 .值算例 .結(jié) .五章 結(jié)構(gòu)損傷綜合識(shí)別研究 .言 .于“能量損傷”的損傷診斷識(shí)別方法 . “能量損傷 ”的理論依據(jù) .“能量損傷”參數(shù)識(shí)別方法的算法 . 算例分析 .構(gòu)物理參數(shù)的時(shí)域法識(shí)別法 . 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的時(shí)域識(shí)別模型 . 結(jié)構(gòu)物理參數(shù)的時(shí)域識(shí)別的基本準(zhǔn)則 . 完備測(cè)量信息時(shí)域法參數(shù)識(shí)別 . 子結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別方法 .結(jié) .六章 鋼 .言 . . 模型制作 . 型靜力參數(shù)實(shí)驗(yàn) . 地脈動(dòng)加速度信號(hào)測(cè)試與去噪 . 框架模型模態(tài)及物理參數(shù)頻域法識(shí)別 . 地脈動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)特征加速度、速度和位移響應(yīng)計(jì)算 . 框架模型物理參數(shù)時(shí)域法識(shí)別 .結(jié) . 100 結(jié) 論 . 101 參考文獻(xiàn) . 103 致 謝 . 110 附錄 A 攻讀博士學(xué)位期間主要研究成果 . 111 博士學(xué)位論文 摘 要 - I - 摘 要 結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷識(shí)別是當(dāng)前土木工程領(lǐng)域 一個(gè)前沿研究課題，與高效率、高精度的信號(hào)采集和分析儀器相結(jié)合，基 于動(dòng)力測(cè)試的系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)正逐步成為工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的重要手段。由于測(cè) 試儀器和技術(shù)的原因，實(shí)際工程中一般難以獲得結(jié)構(gòu)樓層的轉(zhuǎn)角信息，這是短 期內(nèi)難以解決的問(wèn)題。剪切結(jié)構(gòu)模型是房屋建筑中最常用的一種簡(jiǎn)化模型，基 于剪切模型的時(shí)域法參數(shù)識(shí)別，具有不需要轉(zhuǎn)角位移信息的特點(diǎn)，該模型適用 于目前檢測(cè)技術(shù)的要求。此外，地脈動(dòng)環(huán)境激勵(lì)是一種容易實(shí)現(xiàn)、費(fèi)用低、對(duì) 環(huán)境影響小的激勵(lì)方式。但由于這種信號(hào)的信噪比低，信息處理困難，實(shí)際中 結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別效果不理想。基于上述考慮，本文主要針對(duì)地脈動(dòng)激勵(lì)作用下， 剪切結(jié)構(gòu)模型的物理參數(shù)識(shí)別進(jìn)行如下幾方面的研究工作： 1. 結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別基本理論和噪聲對(duì)結(jié)構(gòu) 參數(shù)識(shí)別影響的研究。本文詳細(xì)地研究了地脈動(dòng)激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)參 數(shù)識(shí)別，對(duì)頻域法和時(shí)域法參數(shù)識(shí)別進(jìn)行比較。探討了噪聲、結(jié)構(gòu)損傷程度對(duì) 頻域法和時(shí)域法參數(shù)識(shí)別結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。編寫了頻域法結(jié)構(gòu)模態(tài)、物 理參數(shù)識(shí)別和基于剪切模型的時(shí)域法物理參數(shù)識(shí)別程序，進(jìn)行了大量 的數(shù)值仿真和分析。 2. 信號(hào)去噪理論與方法研究。在 充分考慮線性動(dòng)力系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特性以及小波包分析的頻域空間剖分特性的基 礎(chǔ)上，作者提出了一種結(jié)構(gòu)特征信息提取的信號(hào)去噪新方法。并從理論上證明 了結(jié)構(gòu)特征響應(yīng)中包含有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)信息，利用該信號(hào)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的動(dòng)力識(shí)別，并取得了較好的識(shí)別效果。結(jié)構(gòu)特征信號(hào)的提取，實(shí)際上也 是一種較好的去噪方法，并在數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。 3. 基于 “能量損傷 ”的頻域法。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷或稱系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其傳遞函數(shù)將會(huì)改變，不同頻率的幅頻特 性和相頻特性將會(huì)有不同程度的改變。從幅頻特性來(lái)說(shuō)，它主要表現(xiàn)在對(duì)不同 頻率段的輸入信號(hào)具有不同的抑制和增強(qiáng)作用。本文提出采用 “能量損傷 ”法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，并進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，探討了這種精細(xì)頻域方法在結(jié)構(gòu) 損傷識(shí)別應(yīng)用的可能性。采用隨機(jī)數(shù)據(jù)處理方式，建立了 “特征向量損傷狀態(tài) ”狀態(tài)關(guān)系。 4. 信息不完備測(cè)試信息的時(shí)域辨識(shí)研究。在 實(shí)際工程中，往往無(wú)法一次性獲得全部樓層加速度、速度和位移信息 ，這些都屬于信息不完備的情況。在速度、位移未知的情況，本文對(duì)數(shù)值積分 誤差、積分初值等問(wèn)題進(jìn)行了理論研究，提出了積分誤差和積分初值作為低頻趨 勢(shì)影響的概念，并利用小波包消除這些誤差的影響，大大提高了參數(shù)識(shí)別精度。對(duì) 于一次不能獲得全部加速度的情況，作者對(duì)子結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)識(shí)別模型和參數(shù) 識(shí)別方程進(jìn)行了研究，編寫了子結(jié)構(gòu)參博士學(xué)位論文 摘 要 - 數(shù)識(shí)別程序，并進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算和試 驗(yàn)，其結(jié)果表明，本文提出的子結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別結(jié)果與信息完備參數(shù)識(shí) 別結(jié)果得到較好的吻合。 5. 鋼混框架模型物理參數(shù)識(shí)別試驗(yàn)研 究。首先對(duì)模型進(jìn)行了靜力試驗(yàn)，獲得較準(zhǔn)確的靜力參數(shù)值，通過(guò) D 值法和試驗(yàn)修正，獲得各層的剛度值。作者根據(jù)地脈動(dòng)加速度響應(yīng)，分別采用頻域 法和時(shí)域法進(jìn)行層剛度識(shí)別研究。頻域法雖然能獲得前 3 階的固有頻率和模態(tài)，但無(wú)法 根據(jù)剪切模型識(shí)別結(jié)構(gòu)物理參數(shù)。通過(guò)信息完備和子結(jié)構(gòu)時(shí)域法參數(shù) 識(shí)別，驗(yàn)證了本文提出的時(shí)域法辨識(shí)理論和方法在工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)應(yīng)用中的 有效性，基于剪切模型的時(shí)域法也可以識(shí)別一般框架結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。 關(guān)鍵詞： 參數(shù)識(shí)別 地脈動(dòng)激勵(lì) 能量 結(jié)構(gòu)特征信息 鋼士學(xué)位論文 摘 要 - t is a in of to on is an in of we of or in it is to of is a is to t is to of In is an to is of of of in t to on as 1. on on to in to to in by by to on a of 2. in At of a of 士學(xué)位論文 摘 要 - to we In of of is to it is of is a to in 3. on to be or to be be it in to as a in it to be a of in it in in in of of or a of on in in by of to up of 4. on In an t as or a or of to As is on in as 士學(xué)位論文 摘 要 - V - to be of t to 5. on on to a to to on it t to in on s a of to do of is it is a of in 士學(xué)位論文 第一章 緒論 - 1 - 第一章 緒 論 言 橋梁、大壩、河堤、核電站和高層建筑 等重大結(jié)構(gòu)在發(fā)生地震、颶風(fēng)、洪水等自然災(zāi)害時(shí)會(huì)因年久失修而遭到嚴(yán)重破壞， 對(duì)人類產(chǎn)生巨大的損失。此外，我國(guó)現(xiàn)有 60 多億平方米的房屋建筑面積中， 40%已接近或超過(guò)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，橋梁方面的損傷更為嚴(yán)重。我國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代中期以后開(kāi)始開(kāi)展抗震鑒定與加固，近幾年來(lái)對(duì)已有結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、 評(píng)估已引起工程界的極大重視1。因此，如何通過(guò)合理的檢測(cè)方法對(duì)既有工程結(jié) 構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的工程結(jié) 構(gòu)檢測(cè)技術(shù)一般屬于靜力和局部檢測(cè)技術(shù)，通常只能針對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的局部進(jìn) 行檢測(cè)。由于工程結(jié)構(gòu)體積龐大，構(gòu)件多，且結(jié)構(gòu)中很多部位無(wú)法進(jìn)入或無(wú)法 直接觀測(cè)，因此傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用受到較多的限制?；趧?dòng)力測(cè)試的結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)識(shí)別由于能夠通過(guò)有限測(cè)點(diǎn)信息獲得對(duì)結(jié)構(gòu)整體特性的較好把握而受到研究 者的重視。將高效率、高精度的數(shù)字信號(hào)分析相結(jié)合，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)識(shí)別正 逐步成為工程結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的重要手段2。 近四十年來(lái)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)研究 有了很大的進(jìn)展，提出了許多辨識(shí)理論與算法，頻域法一直以來(lái)是結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)辨識(shí)的主要方法，許多已取得的主要研究成果大多集中于結(jié)構(gòu)模態(tài)參 數(shù)辨識(shí)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)修改3。在實(shí)際工程的動(dòng)力檢測(cè)中，一般能較好地獲得低階模 態(tài)信息，檢測(cè)的結(jié)構(gòu)固有頻率和振型較穩(wěn)定。但在提取模態(tài)參數(shù)的同時(shí)，也丟 失了一部分有用的信息，而且由于辨識(shí)理論和方法本身的局限性，模態(tài)參數(shù)辨 識(shí)這一中間環(huán)節(jié)必然會(huì)產(chǎn)生新的誤差。此外，頻域法在低階模態(tài)分析中對(duì)結(jié)構(gòu) 剛度變化不敏感，對(duì)損傷程度不太嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)也無(wú)法正確辨識(shí)。關(guān)于結(jié)構(gòu)模型 的動(dòng)力修正已提出了許多方法，但迄今為止還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的、用 于工程實(shí)際的成熟方法4。此外，與頻域法相比，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的時(shí)域辨識(shí)有三個(gè)明顯 的優(yōu)勢(shì)：時(shí)域法是一種直接的辨識(shí)方法， 不存在中間過(guò)程的誤差； 實(shí)測(cè)的輸入 且增加時(shí)程數(shù)據(jù)的采樣點(diǎn)數(shù)能有效地 增加時(shí)域辨識(shí)方程的個(gè)數(shù)；時(shí)域法可直接用于非線性動(dòng)力系統(tǒng)的識(shí)別。但結(jié) 構(gòu)信息中的測(cè)試噪聲以及理論模型與實(shí)際模型的簡(jiǎn)化對(duì)時(shí)域法辨識(shí)誤差影響較大， 目前信號(hào)去噪方法還無(wú)法完全解決，這是時(shí)域法的不足之處。 在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，傳統(tǒng)的靜力方法、無(wú)損 檢測(cè)等檢測(cè)方法具有檢測(cè)數(shù)據(jù)可信度高、可對(duì)結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行安全性評(píng)估等優(yōu) 點(diǎn)。結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)雖然具有簡(jiǎn)單，效率高和檢測(cè)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，由于受到 結(jié)構(gòu)動(dòng)力量測(cè)信號(hào)質(zhì)量和數(shù)量的限制，博士學(xué)位論文 第一章 緒論 - 2 - 結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果的可靠性有時(shí)無(wú)法保 障。因此，綜合利用結(jié)構(gòu)靜態(tài)檢測(cè)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)件結(jié)構(gòu)綜合檢測(cè) 技術(shù)，可望成為提高結(jié)構(gòu)檢測(cè)的有效性與可靠性的最終途徑。基于上述考慮， 本論文以框架結(jié)構(gòu)為對(duì)象綜合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的頻域法和時(shí)域法辨識(shí)理論，研究剪切 模型結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別以及在工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用方法和技術(shù)。 傷的定義及特征 在國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì) 于混凝土結(jié)構(gòu)破損分類的推薦草案中，損傷 (指結(jié)構(gòu)由于外部力學(xué)因素引起的削弱或破損；缺陷 (指由于設(shè)計(jì)、施工錯(cuò)誤或材料本身的 不完善所引起的結(jié)構(gòu)削弱或破損。其中外部力學(xué)因素有荷載作用 (包括地震、臺(tái)風(fēng)等 )，基礎(chǔ)不均勻沉降以及長(zhǎng)期使用產(chǎn)生的疲勞作用。自然環(huán)境也是產(chǎn)生結(jié) 構(gòu)損傷的一個(gè)不可忽視的主要原因5。 從廣義來(lái)講，損傷包括非受力損傷和受 力損傷。對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，非受力損傷主要是指施工過(guò)程中帶來(lái)的缺陷， 以及使用過(guò)程中因溫度、濕度、周圍侵蝕性介質(zhì)腐蝕等非受力因素造成的破損 ，如混凝土的開(kāi)裂和碳化、鋼筋的銹蝕等；受力損傷是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用過(guò) 程中因受力因素而產(chǎn)生的裂縫的出現(xiàn)與開(kāi)展。從損傷力學(xué)的角度來(lái)講，每一次 結(jié)構(gòu)的損傷可表征為結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展、剛度退化或降低、截面削弱、鋼 筋銹蝕、材料品質(zhì)劣化等外部特征。結(jié)構(gòu)裂縫的存在，在某種程度上決定著結(jié) 構(gòu)的可靠性、使用功能及耐久性，這種損傷通常不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量特性，但 對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度特性和阻尼特性會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響。 構(gòu)的損傷診斷 構(gòu)損傷診斷的目標(biāo) 由于缺陷和損傷是不可避免的，結(jié)構(gòu)的 損傷診斷技術(shù)便由此而產(chǎn)生，它是近 40 多年發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科， 是一門適應(yīng)工程實(shí)際需要而形成的各學(xué)科交叉的綜合學(xué)科。 1993 年 義了結(jié)構(gòu)損傷診斷目標(biāo)的四個(gè)階段6： （ 1） 確定結(jié)構(gòu)存在損傷； （ 2） 確定損傷的幾何位置； （ 3） 定量確定損傷的嚴(yán)重程度； （ 4） 預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別在建筑結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)診 斷中的應(yīng)用主要側(cè)重于以下兩個(gè)方面： (1)改進(jìn)計(jì)算模型 損傷識(shí)別可分為基于模型 (參數(shù)識(shí)別和博士學(xué)位論文 第一章 緒論 - 3 - 無(wú)模型 (系統(tǒng)識(shí)別兩類。要有效地進(jìn)行損 傷識(shí)別定位，首先需要損傷標(biāo)識(shí)量的選擇問(wèn)題，即決定以哪些物 理量為依據(jù)能夠更好地識(shí)別和標(biāo)定損傷的程度方位。在無(wú)模型損傷直接定位的 物理量最好是局域量，且應(yīng)滿足兩個(gè)基本條件：一是對(duì)局部損傷敏感；二是位 置坐標(biāo)的單調(diào)函數(shù)?；谀Ｐ偷膿p傷定位方法有助于精確地標(biāo)定結(jié)構(gòu)的損傷程 度，通常屬于復(fù)雜的反演問(wèn)題。 (2)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè) 結(jié)構(gòu)損傷通常不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 特性，但對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度特性和結(jié)構(gòu)阻尼會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響， 因此在假定結(jié)構(gòu)質(zhì)量不變時(shí)的結(jié)構(gòu)模型修正技術(shù)同樣可以用來(lái)結(jié)構(gòu)參數(shù)辨識(shí)和監(jiān)測(cè)7。 構(gòu)損傷診斷方法 土木工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷，國(guó)外大體上可分為三 個(gè)階段，20 世紀(jì) 40 年代到 50 年代為探索階段，注重對(duì)建筑結(jié)構(gòu)缺 陷原因的分析和修補(bǔ)方法的研究，檢測(cè)工作大多數(shù)采用目測(cè)為主的傳統(tǒng)方法；60 年 代到 70 年代為發(fā)展階段，注重對(duì)建筑物檢測(cè)技術(shù)和評(píng)估方法的研究，提 出了破損檢測(cè)、無(wú)損檢測(cè)和物理檢測(cè)，其中包括超聲波法、彈性波法、電磁法 、雷達(dá)以及紅外攝影等幾十種現(xiàn)代無(wú)損檢測(cè)技術(shù)8。 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法如外觀檢查、無(wú)損 檢測(cè)及抽樣調(diào)查多用于材料特征以及局部缺陷的檢測(cè)，一般需要知道損傷 的大致部位且可以接近，這種方法所采用的調(diào)查手段及其判斷準(zhǔn)則，很大程度 上依賴于檢測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)及主觀判斷，也不能從整體上定量把握結(jié)構(gòu)性狀。現(xiàn)場(chǎng) 靜力荷載試驗(yàn)是獲取結(jié)構(gòu)信息的一種可靠的檢測(cè)