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。     

采用新型损伤指示因子和结构优化方法的单元损伤识别

在一种新型的损伤指示因子的基础上,采用最小二乘法建立损伤识别问题的优化模型,通过模态综合方法计算结构模态的灵敏度,采用半解析法计算指示因子对损伤参数的灵敏度,最终由序列线性规划方法求解优化问题。数值算例验证了本文方法的可行性。     

基于拓扑优化的结构弹性成像方法

弹性模量是工程材料重要的性能参数, 可以衡量物体抵抗弹性变形的能力. 弹性成像是一种通过弹性模量表征生物体组织物理特性的医学成像方法. 为了将弹性成像应用于机械装备结构的缺陷识别, 提高弹性成像的局部表征和全局识别能力, 提出一种基于拓扑优化的结构弹性成像方法. 受拓扑优化理论启发, 采用结构离散单元的相对密度(弹性模量系数)作为弹性成像参数来表征损伤程度, 建立成像参数与弹性模量的插值模型, 基于有限元模型构建损伤表征、结构模型与物理响应的映射关系. 以损伤结构和无损结构位移响应的最小二乘为目标函数, 以成像参数上下限为约束, 建立结构弹性成像的优化模型. 以伴随法推导弹性成像问题的灵敏度, 并详细给出了弹性成像反演的数值实施方式. 二维悬臂梁和米歇尔梁算例表明, 本文提出的基于拓扑优化的弹性成像方法无需先验损伤信息, 可有效实现均质/非均质、单/多缺陷结构的弹性成像, 且弹性成像结果不依赖于特定的边界条件, 进一步将弹性成像方法扩展至三维悬臂梁问题验证了其通用性.      

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。     

基于模态参数灵敏度的损伤方程组求解正则化方法研究

基于模态参数的结构损伤识别方法是振动损伤识别领域中应用最为广泛的方法.利用模态参数灵敏度构建结构损伤方程组,对其进行求解可以识别结构损伤位置和程度.由于实际工程中模态参数不完备性和噪声的影响,结构损伤方程易出现病态问题,直接求解可能产生错误的结果.为了解决这一问题,可以引入正则化方法进行求解.然而,各类正则化方法的基本...     

时变环境与损伤耦合下桥梁结构频率及阻尼比的统计分析

对时变环境与损伤耦合下我国某斜拉桥的结构频率及阻尼比进行统计分析,以提高结构损伤识别的精度.首先,利用该桥的长期监测数据,采用环境激励技术结合特征系统实现算法识别该桥梁结构的频率及阻尼比;其次,利用人工神经网络算法建立该桥梁结构的环境温度与结构频率及阻尼比的关系模型;然后,通过统计分析,建立完好状态下该桥梁结构模态参数误差因子的概率分布模型;最后,通过分析不同时段与完好结构状态下该桥梁结构模态参数误差因子的相交概率比识别结构损伤,并利用该桥的实测结果验证所提算法的有效性.     

基于改进粒子群优化粒子滤波的结构损伤识别

针对粒子滤波应用于结构损伤识别问题时出现的粒子退化、反演计算强不适定性等现象,提出了一种改进的粒子群优化粒子滤波损伤识别方法。在粒子滤波算法中,利用粒子群优化过程驱使粒子群朝着后验概率密度取值较大的区域移动,优化了粒子滤波的采样过程;同时,根据结构损伤参数分布的稀疏性特点,引入对粒子群中损伤参数部分的零变异操作,既增加了粒子的多样性,又有效改善了反问题求解不适定性,提高了算法损伤识别的鲁棒性。数值仿真和框架结构振动实验结果均表明,对于线性或非线性结构,本文方法均能有效抑制噪声干扰,准确识别不同损伤工况下结构损伤的位置与程度;在试验研究中,结构损伤参数识别结果的相对误差小于1.5%。     

环境温度影响下基于LSTM神经网络识别结构损伤

环境温度的改变会引起模态参数的变化,其变化程度会掩盖或部分掩盖损伤引起的变化量,导致结构健康监测系统发出假阳性或假阴性的误判,因此,消除温度效应是提高损伤识别精度的关键。本文基于LSTM神经网络提出了一种环境温度影响下识别结构损伤的方法。充分利用LSTM神经网络的非线性映射优势,建立多元温度-模态频率的相关模型,在此基础上采用数据标准化方法消除温度效应,并结合控制图判断模态频率异常变化以确定损伤状况。最后将所提方法在数值模型和实际桥梁中加以应用,结果表明,方法能够有效消除温度效应;结合控制图能识别损伤时刻,并具有一定的抗噪性;在实桥数据分析中仍能表现出较好的损伤敏感性。     

基于改进遗传算法的桥梁结构损伤识别应用研究

提出了一种基于残余力向量和改进遗传算法的桥梁结构损伤识别方法。在无噪声的情况下,使用任意一阶模态数据,残余力向量法都能够对损伤进行准确定位。但是,振动测试数据中往往包含噪声,导致运用残余力向量法进行损伤识别完全不可行。考虑到这个问题,在常规模态分析的基础上,以节点的残余力向量构造目标函数,提出了一种用于遗传搜索优化的目标函数形式。利用改进遗传算法重点进行了噪声条件下的结构损伤定位和定量研究,并对遗传算法的参数选取问题进行了深入探讨。遗传算法的主要改进包括:采用浮点编码、采用基于标准化几何分布排名的选择策略、采用最优保存策略、采用算术交叉算子、采用自适应变异算子。最后,本文用一个连续梁桥模型进行了数值模拟,验证了所提出方法的有效性,并对方法应用中存在的一些问题进行了深入探讨。     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

基于卡车加载和差分曲率的简支梁桥预警新指标

差分曲率指标在实际用于损伤识别时受到加载方式的限制.为此,首先采用了一种卡车加载方式,通过两次卡车加载可实现集中载荷的工况,并对简支梁桥建立起了相应的损伤识别方法,提出了新的"卡车载荷差分曲率指标(truck load difference curvature indicator,TLDCI)".基于实测的竖向位移数据得到的TLDCI图形可识别损伤的出现和位置信息,从而实现简支梁桥的状态预警.TLDCI方法的计算简单而且不需要与结构完好状态下的数据进行对比.所提出方法的有效性通过算例得到了证明,并最后讨论了提高其稳定性的措施.     

加速度功率谱密度在钢桥损伤检测中的应用

利用振动特性变化对结构进行无损检测,是近期损伤检测领域的热门研究课题.振动特性能够反映结构的状态,损伤的产生会导致桥梁某些振动参数的变化.为了研究应用加速度反应功率谱密度这一振动特性进行钢桥损伤识别方法,本文采用废止铁路线钢桥为试件,并人工预置6种工况损伤.利用正弦扫频波激振钢桥,分析其损伤前后加速度反应功率谱密度的变化.实验结果表明,利用加速度反应功率谱密度变化能够准确识别并定位钢桥损伤的位置.     

灰色相关性分析在结构静力损伤识别中的应用

基于灰色理论的相关性分析方法，首次提出了灰色曲率关联系数的概念并将其应用到结构的静力损伤识别中，提出了对局部损伤十分敏感的静态位移曲率置信因子SDCACi，通过该因子的大小对各节点所连接的单元是否会发生损伤进行精确的判断，然后运用最小二乘法对损伤区域的损伤程度进行识别．并将该方法应用于两端固支梁的损伤识别中，由识别结果可以证明：不论测量数据(用有限元仿真计算并考虑了测量误差)的多少，该方法对结构中的单损伤和多损伤都能进行准确的定位，因此该方法在大型结构及复杂结构的损伤识别中具有广阔的应用前景．     

基于高斯曲率极值点的桥梁结构损伤识别方法

目前中小桥梁日常安全巡检存在对检查人员依赖性高、缺乏可量化的科学依据等不足。针对这些问题,本文提出了一种利用高斯曲率极值点对结构进行损伤识别的方法。将桥面视为受弯弹性薄板,根据弹性薄板的弯曲理论得到了在荷载作用下结构刚度变化与桥面弯曲程度(高斯曲率)的理论关系,并由此推导了高斯曲率对结构刚度损伤的敏感程度公式。通过有限元建立了一座简支T梁模型,并在主梁肋板上设置不同高度、不同位置和不同数量的裂缝来模拟结构刚度损伤。计算了在自重作用下,裂缝高度、位置、数量与桥面高斯曲率变化的关系。分析结果表明,桥面的高斯曲率分布清晰地映射了结构的刚度分布,高斯曲率极值点明确地指征了桥梁的损伤位置。借力三维激光扫描等全息现代测量技术,本文的研究成果为高效量化的桥梁结构损伤识别提供了有效的分析手段。     

近断层地震作用下钢筋混凝土连续梁桥地震易损性分析

考虑桥墩、支座构件及主梁的碰撞损伤指标,对钢筋混凝土连续梁桥进行了地震易损性分析.综合考虑了结构参数的不确定性,从太平洋地震工程研究(Pacific earthquake engineering research,PEER)数据库中随机选取了20条近场地震记录,得到大量的随机地震-结构样本.结合不同破坏状态下的桥梁损伤指标,根据结构的能力与需求得到了桥梁各构件及整体桥梁结构的地震易损性曲线.从概率意义上判断在强烈地震作用下桥梁结构所处的破坏状态,为今后在役的同类型桥梁震害预测提供了参考.     

基于Mindlin板理论的偏移损伤成像数值仿真研究

提出了一种应用散射Lamb波的偏移技术对板结构中多部位损伤进行实时识别.基于Mindlin板理论,推导了板结构中弥散性弯曲波频率-波数域的快速偏移方法.首先对由线性传感器阵列激励和接收到的入射和散射波场在波数-频率域分别进行延拓,然后根据Huygens原理,结合波场延拓的时间一致性原理施加成像条件,对损伤进行成像识别.数值仿真研究采用基于Mindlin板理论的有限差分法模拟结构中含不同形状及尺寸损伤时的散射波场.对模拟散射波场进行偏移成像的结果表明该方法不仅能够识别多部位损伤的位置,还具有识别损伤程度的能力,其快速计算的优点满足在线结构健康监测系统对实时性的要求.     

Bifurcation boundary analysis as a nonlinear damage detection feature: does it work?

Many systems in engineering and science are inherently nonlinear and require damage detection. For such systems, nonlinear damage detection methods may be useful. A bifurcation boundary analysis method as a new nonlinear damage detection tool was previously introduced in the literature to track bifurcation boundary changes due to damages over a small region of an aeroelastic panel model. Results of this method based upon a finite difference solution showed higher sensitivities to the small amount of damage than methods based upon linear models. In this paper, four methods including Finite Difference, Finite Element (FEM), Rayleigh-Ritz and Galerkin Approach are used to further investigate the sensitivity of the bifurcation boundary for damage detection. Results of the FEM and Rayleigh-Ritz method agree with each other and also show that the sensitivity of the bifurcation boundary to damage is much less than what previously reported when using a finite difference solution method.     

固有模态函数振动传递率损伤识别实验研究

针对风荷载、地震荷载等存在但难以精确量测的问题,提出一种无需量测外荷载的新的损伤识别方法。将经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)的振动传递率,构建了一种新的结构损伤识别参数。对预置不同程度开胶损伤的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,与无损伤条件下的固有模态函数振动传递率进行比较来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究表明:此方法无需量测外荷载也能识别结构损伤,损伤参数值能反映损伤大小。     

DAMAGE DETECTION IN BUILDINGS USING A TWO-STAGE SENSITIVITY-BASED METHOD FROM MODAL TEST DATA

Many multi-story or highrise buildings consisting of a number of identical stories are usually considered as periodic spring-mass systems. The general expressions of natural frequencies, mode shapes, slopes and curvatures of mode shapes of the periodic spring-mass system by utilizing the periodic structure theory are derived in this paper. The sensitivities of these mode parameters with respect to structural damages, which do not depend on the physical parameters of the original structures, are obtained. Based on the sensitivity analysis of these mode parameters, a two-stage method is proposed to localize and quantify damages of multi-story or highrise buildings. The slopes and curvatures of mode shapes, which are highly sensitive to local damages,are used to localize the damages. Subsequently, the limited measured natural frequencies, which have a better accuracy than the other mode parameters, are used to quantify the extent of damages within the potential damaged locations. The experimental results of a 3-story experimental building demonstrate that the single or multiple damages of buildings, either slight or severe,can be correctly localized by using only the slope or curvature of mode shape in one of the lower modes, in which the change of natural frequency is the largest, and can be accurately quantified by the limited measured natural frequencies with noise pollution.