結(jié)構(gòu)監(jiān)測的傳感器優(yōu)化布置與損傷識別研究.pdf

1、大型高聳大跨建筑結(jié)構(gòu)遇到自然或者人為災(zāi)害時，諸多薄弱環(huán)節(jié)會引起巨大的安全隱患。利用基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段，能夠定期或?qū)崟r了解建筑結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下的動力學(xué)災(zāi)變過程，對建筑結(jié)構(gòu)的潛在危險(xiǎn)提供安全預(yù)警，并根據(jù)采集信息制定快速、穩(wěn)妥、周密、有效的防護(hù)、補(bǔ)救措施，保證結(jié)構(gòu)在施工與服役期問的安全運(yùn)營。本文針對基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測噪聲干擾問題，圍繞傳感器布置方法與損傷識別算法的計(jì)算精度與抗噪聲干擾能力，開展了一系列研究。首先

2、針對結(jié)構(gòu)動力學(xué)測試中的大型建筑結(jié)構(gòu)的三維加速度傳感器的布置問題進(jìn)行了討論，提出了基于小生境蛙跳算法的三維加速度傳感器優(yōu)化布置方法(MFLA)。然后，針對復(fù)雜噪聲對損傷識別過程的不良影響，提出了基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的AMUSE（盲源分離）損傷識別方法。針對噪聲條件下基于環(huán)境激勵的多層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時在線損傷識別問題，提出了基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識別方法。全文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)對大型結(jié)構(gòu)的三維加速度

3、傳感器的布置問題進(jìn)行了深入的討論，提出了基于小生境蛙跳算法的三維加速度傳感器優(yōu)化布置方法。建立了考慮傳感器采集數(shù)據(jù)的線性獨(dú)立性、冗余性、計(jì)算精度、抗噪性的目標(biāo)函數(shù)。為了加強(qiáng)算法的計(jì)算精度與計(jì)算效率，分別提出了基于基因重組個體的種群生成方法、小生境構(gòu)造、梯度式局部搜索等過程。結(jié)合工程實(shí)例，對近年來主流的傳感器優(yōu)化布置方法進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，本文提出的MFLA較其他幾種算法在計(jì)算效率與計(jì)算精度上有一定程度的提高。
　　(2)針對

4、噪聲對損傷識別過程的不良影響，提出了基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的AMUSE損傷識別方法。對AMUSE算法的過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對該方法進(jìn)行了簡化與嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。提出“可逆模態(tài)波”等概念，將結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息用波的角度，翻譯轉(zhuǎn)換成一條可逆模態(tài)波。將結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)信息與噪聲信息看作為相互獨(dú)立隨機(jī)變量的信號源，對其進(jìn)行奇異值分解式盲源分離，并給出關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與理論證明。結(jié)合工程實(shí)例，模擬了復(fù)雜噪聲采集條件。分別測試在無噪聲條件下、有噪聲條件下時

5、利用傳統(tǒng)的EMSDI方法（單元模態(tài)應(yīng)變損傷指數(shù)）與本文提出的AMUSE損傷識別方法的損傷識別效果。結(jié)果顯示，EMSDI方法在噪聲環(huán)境下不能得到預(yù)期的損傷識別效果，而使用本文提出的AMUSE損傷識別方法能夠滿足最基本的損傷識別要求，為復(fù)雜噪聲監(jiān)測條件下的損傷識別問題提供了一個可行的方案。
　　(3)針對噪聲條件下基于環(huán)境激勵的多層建筑結(jié)構(gòu)實(shí)時在線損傷識別問題，提出了基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識別方法。通過

6、位移重構(gòu)技術(shù)與數(shù)值微分、將采集到的加速度數(shù)據(jù)重構(gòu)成損傷識別計(jì)算需要的位移數(shù)據(jù)與速度數(shù)據(jù)，在解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時，最大限度地排除了采集噪聲的影響。結(jié)合多自由度鏈?zhǔn)侥Ｐ团c隨機(jī)荷載理論，進(jìn)行了該損傷識別理論的拓展與完善。通過互相關(guān)函數(shù)與白噪聲荷載的數(shù)學(xué)性質(zhì)，在動力學(xué)方程中消除了外界激勵力的影響，從而得出損傷指標(biāo)。在本文方法中，能夠在不影響多層建筑結(jié)構(gòu)正常使用的前提下，利用外界環(huán)境荷載對多層建筑的隨機(jī)擾動所造成的反應(yīng)來判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)。與此同時

7、，該方法能夠盡可能地將外界噪聲干擾排除，從而增加損傷識別計(jì)算的抗噪能力與識別準(zhǔn)確性。
　　(4)結(jié)合實(shí)例，對多層鏈?zhǔn)侥Ｐ蛽p傷識別方法中的位移重構(gòu)的效果、損傷識別計(jì)算的具體過程、損傷識別準(zhǔn)確度與抗噪能力進(jìn)行了詳細(xì)地分析與討論。分別討論了簡單正弦函數(shù)加速度時程的位移重構(gòu)效果與抗噪能力、單自由度體系在粘滯阻尼下簡協(xié)強(qiáng)迫振動加速度時程反應(yīng)的位移重構(gòu)效果與抗噪能力。并結(jié)合一個12層鋼框架模型，對基于位移重構(gòu)濾波器與隨機(jī)擾動荷載的多層結(jié)構(gòu)鏈?zhǔn)?/p>