未知荷載下基于靈敏度分析的結構時域損傷識別.pdf

1、結構健康監(jiān)測技術在結構安全以及可靠度評估方面等起著重要作用，結構損傷識別作為土木工程結構健康監(jiān)測的重要方面，其研究已得到了極大發(fā)展，其中基于時域振動信號的損傷識別方法受到越來越多的重視與研究。針對傳統(tǒng)的時域損傷識別方法存在輸入信息難以測量、輸出數(shù)據不完備以及測量噪音對識別精度的影響等困難及局限性，本文基于國家重點基礎研究發(fā)展計劃973課題“動態(tài)時空環(huán)境效應下的地下結構健康診斷與服役性能預知理論”(2011CB013804)和國家自然科學

2、基金項目“基于逆向子結構的有限元模型修正方法”(51108205)，在狀態(tài)空間域內，對輸入未知、輸出數(shù)據不完整情況下進行時域結構損傷識別研究，綜合理論分析、數(shù)值模擬和試驗驗證等手段，開展了四個方面的研究工作：
　?、盘岢隽嗽跔顟B(tài)空間域內基于動力響應靈敏度分析的時域損傷識別方法。此方法僅利用少數(shù)測量動力響應即可實現(xiàn)結構損傷位置和程度的同時識別。首先，將運動微分方程表示為狀態(tài)空間域內基于馬爾科夫系數(shù)矩陣的結構動力響應表達式，推導了狀態(tài)

3、空間域內動力響應關于結構單元剛度修正參數(shù)的一階導數(shù)，形成了結構動力響應靈敏度矩陣的顯式表達式。然后，采用基于靈敏度分析的模型修正方法對結構進行損傷識別研究。以一簡支梁為數(shù)值算例，首先，采用本章提出的方法計算了在狀態(tài)空間域內結構動力響應和動力響應靈敏度，并通過與Newmark法進行比較，驗證了該方法的正確性；然后，從采樣頻率、測量響應類型、損傷單元數(shù)量以及測量噪音四個方面進行分析，對影響基于靈敏度分析的損傷識別方法精度的因素進行了詳細探討

4、，驗證了狀態(tài)空間域內該方法的正確性和穩(wěn)定性。
　?、茖顟B(tài)空間域內基于動力響應靈敏度分析的損傷識別算法和響應重構方法結合，利用少數(shù)測量動力響應即可實現(xiàn)未知固定荷載下結構損傷識別。首先，推導了狀態(tài)空間域內基于馬爾科夫系數(shù)傳遞矩陣的響應重構方法，引入正則化技術對重構的動力響應進行修正。然后，推導了重構響應關于結構單元剛度修正參數(shù)的一階導數(shù)，形成了結構重構響應靈敏度矩陣的顯式表達式，以重構響應和測量響應的殘差作為目標函數(shù)，采用基于動力響

5、應靈敏度分析的模型修正方法對結構進行未知荷載作用下的損傷識別研究。狀態(tài)空間域內結構時域響應重構方法可以無需結構未知的外界激勵，僅采用少數(shù)已測位置的動力響應，通過傳遞矩陣對結構不易測量位置或目標位置的動力響應進行重構，可解決時域損傷識別中輸入輸出數(shù)據不完備的問題。通過數(shù)值算例和一懸臂梁試驗，驗證了狀態(tài)空間域內基于傳遞矩陣的響應重構損傷識別方法的正確性。
　?、窃跔顟B(tài)空間域內，引入移動荷載的切比雪夫多項式逼近，結合有限元單元形函數(shù)概念

6、，使任一時刻的移動荷載等效為單元節(jié)點荷載，進行了未知移動荷載下結構損傷和移動力同時識別。首先，將多項式正交系數(shù)和單元剛度參數(shù)同時作為識別過程的修正參數(shù)，分別推導了狀態(tài)空間域內動力響應關于結構單元剛度修正參數(shù)和移動力多項式正交系數(shù)的一階導數(shù)，形成了結構動力響應聯(lián)合靈敏度矩陣的顯式表達式。然后，采用基于靈敏度分析的模型修正方法對結構進行損傷識別研究。通過移動荷載下簡支梁的數(shù)值算例，分析了動力響應關于單元剛度參數(shù)和力的正交參數(shù)靈敏度矩陣，并比

7、較了不同測量位置、采樣頻率和測量噪音情況下結構損傷和移動力的識別結果。最后，利用小車下鋼梁的模型試驗驗證了該算法的正確性。
　?、然谇懊嫜芯康奈粗奢d下結構損傷識別算法，結合時域子結構理論，提出了狀態(tài)空間域內未知荷載下子結構損傷識別的兩種方法。第一種方法中，子結構的界面力和外部激勵一同作為子結構的未知輸入，將基于轉換矩陣的響應重構方法和時域子結構方法相結合，提出了固定荷載作用下時域子結構的損傷識別方法，并以三層鋼框架為數(shù)值算例，