基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究

基于振动参数的结构损伤识别,是近年来土木工程的热点研究课题,振动参数包括频率、振型、频响函数、模态应变能、应变响应和加速度响应等,当结构损伤时,损伤位置附近将产生应力重分布,从而引起应变的变化,因此对比损伤前后的应变或者应变响应参数,可以用来识别结构损伤.提出了一种应变脉冲响应协方差参数,它是应变脉冲响应在时间区间上的能量积分;推导并证明了该参数是结构模态参数(频率,位移模态,应变模态,阻尼等)的函数,可用来表征结构状态.相比于传统的模态参数识别方法,可以保留更高阶的模态参数,而且避免了模态识别可能引起的误差;基于简支钢梁的多种损伤工况,研究和展示了该参数的特性,通过数值模拟发现,该参数能简单直观地判定损伤发生和识别损伤位置,无需建立结构分析模型,只需比较结构损伤前后的应变脉冲响应协方差参数即可;该参数简便易算,具有较好的抗噪性能,对结构损伤敏感,而且对结构刚度减少呈现一致变化特性,所以适合实际工程结构的健康监测和损伤识别.     

基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别

根据桥梁结构的实际工程特性,分析其边界条件变异、结构损伤及其参数变化,采用约束优化理论,建立以实测和理论模态参数误差平方和最小为目标函数的优化反演问题。基于矩阵摄动理论引入与结构动力方程对应的特征值和特征向量的一阶、二阶摄动量,将优化反演问题简化为非线性最小二乘法优化反演问题。针对桥梁结构边界条件对模态参数影响显著的实际情况,实施桥梁结构边界条件预识别,采用单元模态应变能方法预定位损伤,提出考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别具体流程。以一磁浮轨道梁方案为例,采用数值模拟进行边界条件变异及损伤的识别验证,结果表明:该方法能够有效识别边界条件的变异及构件损伤,识别参数的相对误差最大为12.48%,具有较高的识别精度。     

基于Rayleigh-Ritz算法的梁裂缝损伤识别及试验研究

结构动态特性的变化则预示结构出现损伤，基于Ritz线性近似，文中提出一种裂缝损伤识别的方法，用以识别结构裂缝损伤位置及损伤程度。该方法分两步：首先用模态子空间近似关系．消去模态应变能表达式中的整体刚度矩阵和整体质量矩阵，避免模型误差对识别结果的影响。再采用计算向量空间夹角的方法分离损伤位置与损伤程度的耦合影响，进而识别出单元裂缝损伤位置；其次，识别损伤程度采用二次线性规划方法，不再计算特征值灵敏度。线性约束条件保证了二次规划问题的解是唯一的。模拟筒支梁几种裂缝损伤情况进行数值计算与模态试验，利用所得模态参数对该算法程序进行了验证，识别出了裂缝损伤的确切位置及损伤程度，并进行了误差对比。结果表明，该算法由于不用整体结构的数值模型，从而避免了边界条件、连接条件及材料特性参数等因素对识别结果的干扰，识别精度得到提高，将其用于结构损伤识别是可行的。     

环境风激励下超高层建筑模态参数识别

基于经验小波变换(EWT)及改进随机减量技术,推导了一种环境风激励下超高结构模态参数的时频分析算法。该方法首先对实测信号进行EWT分解,获得单模态分量,然后采用改进随机减量技术得到自由衰减响应,最后利用希尔伯特变换和线性拟合计算结构的自振频率和阻尼比。通过五层框架结构的数值算例验证了该方法的有效性,并利用该方法对台风"妮妲"作用下深圳平安金融中心的实测加速度进行时频分析,获得了深圳平安金融中心的阻尼比及自振频率,揭示了该超高结构模态参数瞬时变化特征。所识别的结构各阶频率略高于0.1Hz、平动阻尼比在1%以内的研究成果为超高层建筑健康监测和振动控制提供了依据和资料。     

曲率模态及其在桁架桥梁损伤识别中应用

当前桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注，对桥梁结构进行状态监测和安全评估成为众多学者的研究课题。在目前所采用的各种方法中，模态分析法的应用最为广泛，通过监测桥梁的模态参数即可获得其状态信息。通常在模态分析中所采用的参数如：固有频率、振型等参数，反映的都是结构的整体特性，难以用来确定故障位置，只有利用能够表征结构局部特性信息的模态参数曲率模态的变化，才能完成桥梁状态监测工作。本文以1：10钢桁架桥梁模型为研究对象，用有限元模型及实验模型进行局部损伤的识别，实验采用锤击法及变时基(VTB)技术对桥梁模型进行了模态分析。识别表明，通过曲率模态的变化可明显识别结构的损伤部位，取得了很好的识别效果。为今后桥梁结构损伤识别提供了一种可行的研究方法。     

基于转角模态和小波神经网络的连续梁损伤识别研究

基于小波奇异性检测原理和神经网络非线性映射能力,结合结构基本模态参数,提出了一种结合小波神经网络与结构转角模态的损伤识别方法．首先,建立三跨连续梁的有限元模型获取结构模态参数,并对其进行Mexihat小波变换,通过系数图突变点判断结构损伤位置．然后,将小波系数模特征向量作为BP神经网络的输入,分别研究了该方法在单损伤和多损伤工况下的识别能力．最后将不同工况下神经网络预测值与结构实际损伤程度进行对比,得到单处损伤预测误差平均值为0.22%,多处损伤预测误差平均值分别为0.22%和0.18%,结果表明该方法在结构损伤识别方面的有较高有效性及精确度．     

大跨度斜拉桥环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点。以青洲闽江大跨度斜拉桥为背景,介绍了通车前全桥环境激励动力试验,采用频域峰值法和时域随机子空间识别得到了该桥的基准的动力学特性,并与三维有限元模型计算结果进行了比较,二者吻合良好。结果表明环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,结果可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础。     

独塔斜拉桥的环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点.本文以吉林市临江门大桥为工程背景,通过动力试验,研究了该桥在天然脉动荷载作用下的固有特性.采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的固有特性.有限元计算结果与动力试验结果比较吻合.结果表明,环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础.     

基于广义卡尔曼滤波的桥梁结构物理参数识别

基于广义卡尔曼滤波提出了随机荷载作用下桥梁结构物理参数的识别方法。首先,以荷载为观测对象,推导出基于有限元模型的桥梁结构系统的观测方程,以结构待识别的物理参数为状态向量,建立系统状态方程;然后,对该状态方程和观测方程构成的非线性参数系统应用广义卡尔曼滤波,从而识别出结构的物理参数。对一座简支梁桥和一座三跨连续梁桥在不同工况下的物理参数识别进行了数值仿真,结果表明本文方法能够准确地识别桥梁结构全部刚度参数、质量参数和阻尼参数,且具有很强的抗噪性能,从而验证了本文方法的有效性和鲁棒性,可应用于识别大型桥梁结构的物理参数。     

基于应变模态和稀疏贝叶斯学习的网架结构损伤识别

传统稀疏贝叶斯学习算法进行损伤识别时需要对每个单元进行刚度损伤系数的迭代更新,当结构单元众多时,存在计算效率低和对振型的完备性要求高等问题.本文提出了损伤识别两步法,首先利用应变模态差指标进行疑似损伤单元的判断;接着以单元刚度损伤系数为目标参数,建立结构损伤识别的多层次稀疏贝叶斯学习模型,利用稀疏贝叶斯学习算法进一步识...     

使用阻尼材料结构的试验模态分析

高分子聚合物做为阻尼材料的使用，使结构的模态分析出现特殊问题，本文介绍试验模态分析中的若干问题，包括模态阶次、模态参数的拟合、模态结构阻尼系数与粘性阻尼系数之间的关系，灵敏度分析等     

基于位移响应协方差参数的数值仿真和实测损伤识别研究

本文使用结构位移响应协方差参数进行结构损伤识别，首先推导和建立位移响应协方差参数的解析公式，它是结构频率、振型和阻尼等模态参数的函数，结构物理参数的改变会导致该协方差参数的改变；对一个七层框架结构进行数值模拟分析来演示该方法的有效性，通过比较结构不同状态下各单元位移响应协方差参数CoD的分布曲线，研究各单元CoD与损伤程度的关系曲线，发现损伤位置处的CoD改变最大，其次是对称和附近单元，通过单损伤和多损伤工况研究分析，表明基于结构损伤前后CoD的改变，能成功判定损伤发生和识别出损伤位置，最后把该方法应用于一个实验室简支钢梁的损伤识别，通过对锤击振动下的加速度响应进行二次积分得到位移响应，并比较钢梁损伤前后的CoD，得到损伤概率向量，成功识别出损伤位置。该方法具有较好的噪声鲁棒性，无需结构分析模型，计算简便，具有较好的工程应用性。     

Adaptive tuning of elasto-plastic damper

Hysteretic dampers are frequency independent, and thereby potentially effective for several structural vibration modes, provided that the inherent amplitude dependence can be controlled. An adaptive tuning procedure is proposed, aiming at elimination of the amplitude dependence by adjusting the damper parameter(s) with respect to the magnitude of the damper motion. The procedure is demonstrated in terms of the bilinear elasto-plastic damper model, and optimality corresponds to maximum modal damping. A parametric solution for the damping ratio is obtained by a two-component system reduction technique, and maximization leads to an amplitude dependent expression for the optimal yield level. The amplitude is predicted from the most recent extremum of the damper response, and simultaneously used to adjust the yield level. Numerical examples demonstrate that the adaptive tuning procedure succeeds in controlling the amplitude dependence, resulting in equal damping for the first vibration modes.     

基于二阶系统解耦的精细积分格式下动载荷时域识别

基于模态分析法的载荷识别方法利用模态矩阵获得系统的非耦合形式,推导单自由度系统的载荷识别公式,但要求系统为比例阻尼。在模态模型基础上,对一般系统建立基于二阶系统解耦的动载荷时域识别模型。首先,利用基于Lancaster结构的二阶系统解耦方法推导出系统的非耦合形式;然后,采用精细逐步积分方法,在载荷为阶跃力的假设下,推导出载荷识别数学公式;最后,由系统实时响应反求结构载荷的时间历程。数值算例验证了本文方法针对比例阻尼系统较模态模型具有更高的精度,而且对非比例阻尼系统也有效可行。     

时域模态参数识别的直接特征系统实现算法

本文提出了一种新的结构模态参数识别算法,称为直接特征系统实现算法(DERA)。直接采用时域多输入多输出数据构成线性时不变离散系统的最小实现,并利用系统矩阵的特征值和特征向量求取模态参数。输入输出数据的直接应用避免了利用脉冲响应函数作原始数据的ERA、PRCE等算法的一些局限。奇异值分解技术的引入使系统的定阶和实现更方便,并具有了更良好的数值稳定性。为验证算法,构造了一个五自由度的弹簧质量系统进行数值模拟。良好的数值结果证明了本算法的有效性,并表明本算法对密集模态仍有较高的识别精度。     

核电结构土-结相互作用分析分区混合计算方法

土-结构相互作用分析是核电结构进行抗震设计和安全评估的重要环节.在核电结构的土-结相互作用分析中,阻尼和非线性是影响结构反应的重要因素. 若采用频域分析,可以方便考虑阻尼,但需通过等效线性化来考虑非线性,不适合于强震作用下的土体非线性.若采用时域分析的逐步积分方法,适合于考虑非线性,但材料阻尼一般采用瑞利阻尼模型,除了紧靠指定阻尼比的少数几个振型外,其他振型的反应将受到瑞利阻尼模型所确定的大阻尼所抑制,造成地震反应与真实情形有较大差异.若采用时域分析的模态叠加法,可合理计入阻尼效应,但模态叠加法不能考虑非线性.因此,如何合理考虑阻尼和非线性是核电结构土-结相互作用分析需要关注的问题.基于此,本文提出一种模态叠加和时步积分结合的土-结相互作用分区算法.其中,出于安全性考虑,地震作用下核电主体结构一般不允许进入非线性,因此结构可采用模态叠加方法,以便合理考虑结构阻尼;土体和基础采用显式时步积分法,可考虑土体非线性;通过人工边界条件考虑无限域的影响 (辐射阻尼).通过简单算例对该方法进行了验证,并用于CAP1400核电结构的土-结相互作用分析中,对比分析了采用模态阻尼和瑞利阻尼时核电结构和场地反应的差异,结果表明结构阻尼模型对场地的反应影响不大,但对结构反应影响明显,在实际工程中应合理选取阻尼模型.      

基于不完备频响函数的结构损伤统计识别研究

基于不完备频响函数数据,结合概率统计方法,提出了一种能同时考虑模型参数不确定性和测试噪声影响的结构损伤统计识别方法。首先,基于频响函数某一行向量在不同频率下的幅值数据,利用矩阵拉直运算建立了关于损伤系数的确定性识别方程。其次,假设模型参数误差和测试噪声为零均值的高斯随机变量,根据摄动理论,推导了损伤后结构刚度参数的前二阶矩。随后,利用结构损伤前后的概率分布得到了结构损伤存在概率。最后,通过一个平面桁架结构模型验证了本文方法的有效性。数值算例的研究结果表明,损伤单元的损伤存在概率远大于非损伤单元;测试噪声对识别结果的影响比模型参数不确定性的影响更为显著。     

基于应变能等效指标的结构损伤识别技术研究

为了解决结构的多损伤识别问题,提出了一种基于应变能等效指标的损伤识别方法。首先给出了损伤前后模态应变能变化的表达式以及能量耗散公式,然后根据结构的能量耗散与应变能的变化值等价的原理,建立了一个四阶等效方程,最后求出了该方程的四个根,并通过对该方程四个根的分析得到了一个应变能等效指标,通过该指标可以方便的求解损伤的位置和程度。数值仿真结果表明,基于应变能等效指标的损伤识别方法不仅可以精确的识别出损伤的位置和程度,而且其识别精度明显好于应变能耗散率方法。     

On a modal damping identification model of building structures

The simple modal damping identification model of Hart and Vasudevan is generalized. The model works in the frequency domain and provides time-invariant modal damping ratios of building structures under seismic excitations in terms of modal participation factors and the roof-to-basement transfer function. Translational as well as torsional modes of vibration are considered. The performance of the model is assessed through a small, yet indicative, number of numerical examples involving steel plane and space frames under seismic excitations and on the basis of a number of criteria an ideal identification model should satisfy. It is concluded that the presented model, in spite of its simplicity, gives very good results for low-amplitude seismic excitations resulting in linear elastic structural behavior (with damping) even for cases of closely spaced modes, local modes, and very small or large amounts of damping. Some numerical pitfalls regarding the application of the model are mentioned and carefully treated. The limitations of the model when used in conjunction with inelastic structural behavior are determined and discussed. Experimental verification of the model is also provided.