基于被动敲击扫描式检测方法的工程桥梁损伤检测

损伤检测技术对于桥梁健康评估和管理至关重要。近年来,基于移动车辆的桥梁损伤检测方法因其简单易行的优点已引起广泛关注。其中,敲击扫描式检测方法通过在敏感频率上施加激励,可以大大提高车辆加速度对桥梁局部刚度变化的灵敏度,而且由于敏感频率远离环境噪声频段,可以保证足够高的信噪比。如果采用车轮激励这种被动方式来产生敲击力,还可以进一步简化检测车的硬件系统,便于现场实施。本文报导了采用被动式敲击扫描检测车对两座在役桥梁的现场试验结果。实测数据表明,该方法不但可以定量地给出桥梁主梁刚度变化率的定量评估指标,还可以发现支座脱空类损伤。这些发现验证了被动敲击扫描式检测方法的实用性,展示了它在桥梁快速损伤检测方面的工程应用价值。     

基于固有频率向量的结构损伤检测方法

基于损伤前后结构固有频率的变化,引入了固有频率向量及固有频率向量置信准则的概念,提出了基于固有频率向量的结构损伤检测方法.首先建立完好结构的有限元模型,并模拟出结构的若干种损伤模式,分别求出完好结构与各损伤模式结构的固有频率向量,从而构建出结构损伤特征数据库,随后对具有某种未知损伤的结构,根据该结构的固有频率向量与损伤数据库中每一个固有频率向量之间的相关程度--固有频率向量置信准则,由最大置信准则来判定对应的损伤模式.应用该方法对一个八层剪切空间框架模型的损伤进行了仿真检测,对于无测量误差的情况,在任何一层的支柱损伤大于最低可检损伤的情况下,都能准确的检测出损伤的位置及程度;考虑了固有频率测量的随机误差之后,应用损伤检测概率进行评估,该方法也具有较高的损伤检测概率.     

基于重构相空间的结构损伤识别方法

介绍了混沌理论中相空间重构技术,应用到结构损伤检测与健康监测中。以单自由度弹簧振子为例分析了基于相空间拓扑结构变化的损伤检测方法的可行性,结果表明,当弹簧的刚度降低,相空间拓扑结构发生明显变化,表明该检测方法是可行的。利用相空间重构技术,直接将结构动态响应以相空间的形式展开,根据损伤前后相空间拓扑结构的变化,提出了新的损伤因子。为了验证本方法的可行性与可靠性,进行了圆拱结构动态实验并进行损伤识别。实验结果表明,本方法能够成功地识别出圆拱结构的损伤位置及损伤程度,且灵敏度较之常用的动力指纹方法有了很大的提高。本方法只需单个测点就能计算出该点损伤因子的值,可作为结构整体参量来监测结构是否存在损伤以及结构健康状况     

基于矩阵摄动理论识别结构损伤的筛选法

定义了结构有限元模型中的单元损伤识别参数,建立了基于矩阵摄动理论的结构损伤识别方程,结合结构损伤的特点,提出了求解损伤识别方程的筛选法,该方法可以避免优化方法和迭代方法在未损伤单元上出现的"伪损伤"现象.通过一架五跨平面桁架损伤识别的数值仿真结果,证明了该方法的有效性与优越性.     

结构健康监测中的损伤检测技术研究进展

对结构健康监测研究中的结构损伤检测方法及其特点进行了介绍.从基于结构模态分析的方法和基于结构动态试验信号处理的方法两方面,阐述了结构健康监测中的损伤检测方法及其最新研究进展.基于结构模态分析的结构损伤检测方法是针对整个结构的检测,使用的模态都限于低阶模态范围内,所检测的结构应容易建立有限元模型,便于进行响应预测.基于结构动态试验信号处理的损伤检测方法通常是针对结构局部构件的损伤检测,不需要对结构进行有限元建模,而直接从测试的动态响应信号中提取表征结构损伤的特征参数.文中提出了对比性损伤检测方法和非对比性损伤检测方法的概念,并对结构损伤检测中常用的信息传感与处理技术进行了论述,指出了结构损伤检测研究中应该考虑的传感器布置问题.提出了将损伤信息的主动检测与被动检测相结合进行损伤程度判断和剩余寿命估计等问题是有待进一步深入研究的课题.      

复合材料板冲击损伤检测的二维间隔平滑法

本文发展了一种基于振动的复合材料板的损伤检测方法,将原有的一维间隔平滑法(1D GSM,one dimensional gapped smoothing method)发展至二维(2D GSM),并进一步提出二维间隔平滑法的标准化损伤指标.与其他多数基于振动分析的损伤检测方法不同,该方法只需分析含有损伤结构的检测数据,无需结构健康时的数据或理论、计算结果作为对比信号,即可判定缺陷的存在,并能准确定位.针对由冲击造成的准各向同性碳纤维增强复合材料板中的层裂损伤,本文采用压电片阵列组合激励的方式,得到了复合材料板多频率扭转振型的同时激励,可实现快速、高效的损伤检测.通过扫描式激光测振仪测得结构在不同固定频率下的结构响应ODS(operational deflection shapes),利用提出的二维间隔平滑法,分析得出损伤指标.实验结果表明,二维间隔平滑法可以准确地检测碳纤维增强复合材料板的冲击损伤,并具有较好的精度.     

螺栓松紧程度的受控敲击检测方法

螺栓连接是工程中大量使用的装配形式.在振动等环境因素的作用下,螺栓很可能会发生松动,这样不但会影响结构的正常功能,严重时还会导致安全事故.因此,螺栓松紧程度的无损检测方法一直受到研究者的关注.为了发展一种简单有效的检测方法,本文回避了复杂的非线性动力学分析,而直接根据螺栓敲击装置加速度功率密度谱中的敏感频段来检测螺栓的松动情况.另外,本方法要求对敲击力进行严格控制,以保证激励的可重复性,这样就可以结合支持向量机方法来定量地检测螺栓的松紧程度.实验表明,方法可以较好地实现对螺栓的松紧程度的定量检测,特别是对于螺栓全松和螺栓刚开始松动这两种情况,可以达到较高的检测精度.     

一种新的小波及其在结构损伤检测中的应用

结构受冲击将引起某些部位的震荡、裂纹甚至断裂,从而导致结构刚度下降.此时振动信号会出现奇异性或携带突变信息,而这些突变信息反映了结构的损伤情况.加之冲击信号测试环境一般较为复杂,环境噪声对测试存在一定的影响.然而,利用合理的小波变换技术去噪可以识别出损伤情况.本文通过对冲击振动的信号特性进行分析构造了一种新的基本小波,并论证了该小波的基本特征.最后运用小波分析的信号奇异检测理论结合实例将该小波用于冲击振动仿真分析中.计算结果表明,利用该小波进行结构损伤信号分析能清晰地识别结构损伤的时刻.采用该小波函数的构造方法,可避免通常采用Daubechies系列小波作为信号分析而要繁琐地选择不同小波函数的过程.     

基于频率二阶摄动的结构损伤识别方法

结构损伤的定位和定量是结构健康监测的关键技术之一。本文将矩阵摄动理论、结构振动理论和有限元理论相结合推导出结构固有频率变化的二阶摄动公式,由此公式可以反演结构的损伤位置与损伤程度。该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就能识别出结构的损伤位置和损伤程度,而且还可以识别出结构的老化程度。通过数值仿真算例证明了该方法的有效性和实用性。该方法可用于大型结构的损伤识别和健康监测。     

桥梁结构劣化与损伤过程的多尺度分析方法及其应用

研究桥梁结构多尺度模拟和分析方法对于发展重大桥梁结构损伤检测与状态评估方法以确保其安全运营是至关重要的.本文综述和总结了作者及其课题组多年来在桥梁结构劣化与损伤过程分析领域的研究工作.包括:系统地提出了针对大型桥梁结构损伤劣化过程分析需求的结构多尺度问题,研究证实了结构损伤与劣化过程分析可以通过结构一致多尺度模拟和时空多尺度分析来实现;提出了针对大型桥梁结构多尺度模型的多因素、多目标同步模型修正技术,指出多尺度模型修正必须对各分析目标敏感的多种因素同步优化,同时交叉验证修正后模型对该级修正目标和对其它模拟目标的复现与预测能力.提出了基于结构一致多尺度模拟和结构健康监测信息进行结构劣化分析的方法并应用于两个重大桥梁工程结构的疲劳损伤分析与评估.最后,指出在此领域中还要很多问题亟待解决,尤其是如何模拟损伤从材料与结构中的细观层次的缺陷演化发展到结构局部乃至整体失效的过程,建立结构损伤演化与失效过程的跨尺度分析理论与方法.     

声弹性方法测量金属材料的塑性损伤

本文提出一个利用非线性参数研究材料损伤的声弹性方法．在该方法中定义了一个由二阶和三阶弹性常数所组合的损伤变量．以２０＃钢为例，采用横波声弹性方法测量金属材料的塑性损伤．同时用声速法作了损伤测量．对比两种方法的实验结果表明，新方法是对金属材料塑性损伤测量的有效技术．     

一种新的结构损伤识别试验方法研究

提出在构件上增设附加质量来模拟结构损伤的试验方法,证明了质量增加与刚度降低的等价关系.以简支梁为例,给出了采用附加沙袋法、悬挂质量法两种附加质量方式模拟结构损伤的具体试验方案,完成了多工况下简支梁附加质量模拟结构损伤的动测试验.通过试验验证了本文所提方法的正确性,得出了在梁构件上采用附加沙袋法可准确模拟出不同损伤位置、...     

一种仅使用静态响应的梁结构损伤识别方法

提出了一种仅使用静态响应的梁结构损伤识别方法。此方法引入了一种倒数变量。采用倒数变量后,位移的泰勒展开式中仅含有倒数增量的线性项。构建了基于倒数变量的损伤求解模型,然后应用非负最小二乘法求解损伤参数,可同时确定损伤位置和程度。与未引用倒数变量的方法对比,求解的损伤参数更加逼近真实的损伤情况,且讨论了噪声的影响。通过数值模拟对三跨连续梁结构进行仿真分析,结果表明,提出的方法能够对梁结构的损伤做出有效识别。     

基于静力残余力向量的结构损伤评估方法

残余力向量法是一类常用的损伤识别方法,现有的残余力向量法都是基于动力测试的模态参数,和动力测试数据相比,静力测试数据往往精度更高,且无需模态分析等复杂操作.鉴于此,本文提出一种静力残余力向量法用于结构损伤评估.所提方法利用静力测试位移数据,并结合结构有限元模型的刚度矩阵,定义了静力残余力向量,根据该向量中不为零的元素来判断损伤自由度,再根据自由度和单元之间的对应关系来确定发生损伤的位置,并进一步提出一种求解损伤参数的代数解法.另外,针对实践中角位移难以测量的情况,进一步提出了一种静力缩聚残余力向量法,拓宽了所提方法的应用范围.以桁架结构和梁结构模型为例对所提方法进行了验证,数值算例结果说明所提方法合理有效.     

基于残余力向量法和改进遗传算法的结构损伤识别研究

提出了一种基于残余力向量法和改进遗传算法的结构损伤识别方法。文中首先对残余力向量法和遗传算法的基本理论进行了介绍。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用于遗传搜索优化的目标函数形式,然后利用改进的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。最后,本文用一个平面桁架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分析,得出了一些有益的结论。     

HOMOTOPY CONTINUATION ALGORITHM FOR STRUCTURAL DAMAGE IDENTIFICATION

I. INTRODUCTIONStructural damages due to the loss of sti?ness such as crack, localization bulking have remarkablein?uences on the physical properties of structure such as deformation, stress, frequency and modelshape. So the change of these properties can be used to identify the damage location and degree ofstructures. The damage identification techniques based on these properties’ changes have attractedmuch attention in recent years, and many approaches have been developed[1??5].Nowaday…     

基于支座反力影响线曲率差分的等截面连续梁损伤识别方法

为了实现仅采用损伤状态信息对等截面连续梁进行损伤识别,通过推导三跨不等跨连续梁在移动荷载作用下的支座反力影响线,发现支座反力影响线求曲率并作差分后的曲线在损伤位置会发生突变,基于该现象提出了一种损伤定位方法,进一步建立了损伤程度计算方法,可对损伤程度进行较精确的定量。通过一三跨连续梁和一四跨连续梁工程实例的仿真分析,证明了支座反力影响线曲率差分指标损伤定位和相应的损伤程度定量方法对等截面连续梁损伤识别具有可行性。     

DAMAGE DETECTION BASED ON OPTIMIZED INCOMPLETE MODE SHAPE AND FREQUENCY

For the purpose of structural health monitoring, a damage detection method combined with optimum sensor placement is proposed in this paper. The back sequential sensor placement(BSSP) algorithm is introduced to optimize the sensor locations with the aim of maximizing the 2-norm of information matrix, since the EI method is not suitable for optimum sensor placement based on eigenvector sensitivity analysis. Structural damage detection is carried out based on the respective advantages of mode shape and frequency. The optimized incomplete mode shapes yielded from the optimal sensor locations are used to localize structural damage. After the potential damage elements have been preliminarily identified, an iteration scheme is adopted to estimate the damage extent of the potential damage elements based on the changes in the frequency. The effectiveness of this method is demonstrated using a numerical example of a 31-bar truss structure.     

一种改进的残余力向量法在结构损伤识别中的应用

残余力向量法是结构损伤识别中常用的方法,复杂结构中单元数量较多而损伤位置较少,容易造成无关变量增多,进而导致计算量过大的问题。鉴于此,本文提出一种改进的残余力向量法用于结构的损伤识别。该方法利用刚度联系向量与残余力向量之间线性相关的特性,以向量投影值作为损伤定位的影响系数,初步筛选出结构可能出现损伤的单元范围。在此基础上,构建出残余力向量对应的线性方程组,根据顺序主子式不为零的条件,对线性方程组进行行初等变换,再根据单元的数量保留前n维线性方程,通过求解该方程组的代数解可得到该结构单元的刚度损伤参数。以简支梁为例的数值模拟表明,本文方法可减少无关单元变量的计算,降低残余力向量的维度并且具有较好的抗噪能力。     

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.