（环境工程专业论文）结构损伤特征提取及诊断方法研究.pdf

摘要 土木工程设施在服役期内，由于受到荷载和其它各种突发因素的影响，使结构发生 损伤，造成重大的经济损失和人员伤亡。因此，对结构健康状态做出及时有效的诊断、 准确评估和预示，具有重要的科学理论意义和工程应用价值。本文研究了基于信号分析 和神经网络的结构损伤特征提取及诊断方法。 论述了实施工程结构健康监测与损伤诊断的必要性与迫切性，介绍了结构健康监 测与损伤诊断的基本概念、系统组成、损伤诊断的方法及研究现状。 从结构损伤特征提取的角度出发，研究了基于小波包分析的结构损伤特征提取方 法。采用正交小波包对a s c e 结构的响应信号进行分解，并计算每个频带上的相对能量 来表征结构的状态。研究表明：对于相同的损伤，在不同节点处测量信号的小波包能量 分布是不同的；不同类型的损伤小波包能量分布有显著的差异；小波包分析为信号处理 和特征提取提供一种更加精细的分析方法。 为了实现结构状态的自动诊断，研究了一种基于小波包特征提取的b p 神经网络结 构损伤诊断方法。研究表明：和b p 神经网络的其它学习算法相比，弹性学习算法收敛 较快、耗时较少，识别正确率较高，适合于结构状态的模式分类：但是，对于同一损伤 源，采用不同节点的信号分析时，网络的识别正确率和各项性能指标不同。 针对单一节点信号进行损伤诊断的不确定性和片面性，研究了基于多节点传感器特 征融合的结构损伤诊断方法。多传感器特征融合，能够使不同传感器的信息相互补充， 减小了损伤检测信息的不确定性，使诊断信息具有更高的精度和可靠性，提高了损伤诊 断准确率。 土木结构的损伤在理论上是一个渐进过程，为了能够有效地监测这个损伤过程，研 究了基于h i l b e r t h u n g 变换的结构渐进损伤特征提取方法。模拟产生了单自由度模型 和多自由度模型结构刚度渐进下降损伤的加速度振动信号，对该加速度振动信号进行 h i l b e r t h u n g 变换，并提取瞬时频率。损伤前后，瞬时频率会发生明显的变化，可以作 为结构渐进损伤的特征。 关键词：小波包能量神经网络损伤诊断特征融合瞬时频率 a b s t r a c t d a m a g ew i l lc o m ei n t oe x i s t e n c ei nt h ec i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r e sd u r i n gt h e i rl i f e t i m e w i t ht h ee f f e c to fl o a d sa n do t h e ru n k n o w nf a c t o r s a sar e s u l t ，i ts o m e t i m e sw i l lb r i n ga b o u t s i g n i f i c a n te c o n o m i cl o s s e sa n dp e r s o n n e lc a s u a l t i e s s o i ti sn e c e s s a r yt om a k ee f f i c i e n t d i a g n o s i s ，e v a l u a t i o na n dp r o g n o s i sf o rt h eh e a l t hc o n d i t i o no fs e r v i n gs t r u c t u r e s i nt h i s p a p e rt h ed a m a g ef e a t u r ee x t r a c t i o na n dd i a g n o s i st e c h n i q u e sf o re n g i n e e r i n gs t r u c t u r eb a s e d o ns i g n a la n a l y s i sa n dn e r v en e t w o r ka r es t u d i e d ，m a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r e d e m o n s t r a t e da sf o l l o w i n g ： t h en e c e s s i t yo fc i v i le n g i n e e r i n gs t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m l & d a m a g e d e t e c t i o ni sd i s c u s s e df i r s t l y t h e nt h ec o n c e p to fs h m & d a m a g ed e t e c t i o na n dt h e a r c h i t e c t u r eo fs h ms y s t e ma r ei n t r o d u c e d m o r e o v e r ，d a m a g ed e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n dt h e i r d e v e l o p m e n ta r er e v i e w e d i no r d e rt oe x t r a c td a m a g ef e a t u r e ，t h ew a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sm e t h o d so fd a m a g e f e a t u r ee x t r a c t i o na r ed e v e l o p e d t h er e s p o n s es i g n a l so ft h ea s c eb e n c h m a r ks t r u c t u r ea r e p r o c e s s e db yu s i n go r t h o g o n a lw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ，t h e nw a v e l e tp a c k a g ee n e r g y ( w p e ) o nd e c o m p o s i t i o nf r e q u e n c yb a n d sa r ec a l c u l a t e dt or e p r e s e n tt h es t r u c t u r ec o n d i t i o n r e s e a r c h e ss h o wt h a tf o ras i g n a lt h ew p ed i s t r i b u t i o nc a nd e s c r i b et h ee n e r g yv a r i a t i o no fi t s c o m p o n e n t s ，f o ras p e c i a ld a m a g et h ed i s t r i b u t i o n o fw p ei sd i f f e r e n ta tt h ed i f f e r e n t d e t e c t i o nn o d e sa n df o rd i f f e r e n tk i n d so fd a m a g et h e i rw p ed i s t r i b u t i o n sa r ed i f f e r e n te a c h o t h e r t h ew a v e l e tp a c k a g et r a n s f o r mc a ng i v eu saf i n e ra n a l y s i sa p p r o a c hf o rs i g n a l p r o c e s s i n ga n df e a t u r ee x t r a c t i o n t oi m p l e m e n ts t r u c t u r ea u t o m a t i cd i a g n o s i s ，am e t h o do fs t r u c t u r ed a m a g ed i a g n o s i si s a d d r e s s e db a s e do nw a v e l e tp a c k e ta n a l y s i sa n db pn e u r a ln e t w o r k c o m p a r e dw i t ho t h e r l e a r n i n ga l g o r i t h m ，t h ee l a s t i c i t ya l g o r i t h mc o n v e r g e sm o r eq u i c k l y , a n dn e e d sl e s sl e a r n i n g t i m e i ti ss u i t a b l ef o rp a t t e r nc l a s s i f i c a t i o no fs t r u c t u r ec o n d i t i o n h o w e v e r , u s i n gs i g n a l s f r o md i f f e r e n td e t e c t i o nn o d e sf o rt h es a m ed a m a g e ，t h er e c o g n i t i o nc o r r e c tr a t ea n d p e r f o r m a n c e si n d e xo fb pn e t w o r ka r ed i f f e r e n t t oa i ma tf i x i n gt h eu n c e r t a i n t yc a u s e db yo n l yu s i n gs i g n a l sf r o ms i n g l ed e t e c t i o nn o d e i ns t r u c t u r ed a m a g ed i a g n o s i s ，a n o t h e rd i a g n o s i sm e t h o di sp r e s e n t e db ym e a n so f m u l t i s e n s o rf e a t u r ef u s i o nt h e o r y t h r o u g hf u s i n gf e a t u r ee x t r a c t e df r o ms e v e r a ld i f f e r e n t d e t e c t i o nn o d e s i tc a nm a k ed i f f e r e n ti n f o r m a t i o nc o m p l e m e n t a r y , a n dr e d u c et h eu n c e r t a i n t y o fd a m a g ed e t e c t i o ni n f o r m a t i o n s op r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h ed i a g n o s i si n f o r m a t i o ni s m u c hm o r em o d i f i e da n dt h ed i a g n o s i sa c c u r a c yw a si m p r o v e d t h es t r u c t u r ed a m a g ei sap r o g r e s s i v ep r o c e s st h e o r e t i c a l l y i no r d e rt om o n i t o rt h e p r o c e s se f f i c i e n t l y ，af e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o do fs t r u c t u r ep r o g r e s s i v ed a m a g ei s s t u d i e d b a s e do nh i l b e r t - h u a n gt r a n s f o r m ( h h t ) a c c e l e r a t i o nv i b r a t i o ns i g n a l so fas i n g l e d e g r e eo f f r e e d o ms 仃u c t u r em o d e la n dam u l t i d e g r e eo ff r e e d o ms 仃u c t i l r em o d e la r es i m u l a t e db y r e d u c i n gt h es t i f f n e s sg r a d u a l l y t h es i g n a l sa r ep r o c e s s e db yu s i n gh h tt oe x t r a c tt h e i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y t h ee x t r a c t e di n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c yi so b v i o u s l yc h a n g e db e f o r e a n da f t e rd a m a g ec o m i n gi n t oe x i s t e n c e ，w h i c hc a nb et a k 饥a saf e a t u r ei n d e xt om o n i t o rt h e s t r u c t u r ep r o g r e s s i v ed a m a g e k e y w o r d s ：w a v e l e tp a c k a g ee n e r g y , n e u r a ln e t w o r k , d a m a g ed i a g n o s i s ，f e a t u r ef u s i o n ， i n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：立j 义聿乞_ 唧年岁月f 7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 影毒u 茗互 九唧年f 月，7 日 嘲年r 月1 7 日 玉 p 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 土木结构进行健康监测和损伤诊断的意义 随着社会经济的飞速发展，越来越多的大型土木工程得到筹建和使用， 现代空间 结构正在向着大型化、复杂化方向发展。而这些大型复杂结构，诸如跨江跨海的超大跨 桥梁，用于大型体育赛事的超大跨空间结构，代表现代城市象征的超高层建筑，开发江 河能源的大型水利工程以及核电站建筑等，它们的使用期长达几十年、甚至上百年。由 于设计、施工等先天缺陷，或者使用荷载超出设计要求或者遭受强大的突加外荷载( 如 汽车撞击、地震、台风等的作用) ，或者环境侵蚀、材料老化和荷载的长期效应、疲劳 效应与突变效应等灾害因素的耦合作用，将不可避免地导致结构和系统的损伤积累和抗 力衰减，从而抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力下降。 结构发生损伤以后将严重影响结构的承载能力及其耐久性，甚至会发生严重的工程 事故，不仅造成重大的人员伤亡和经济损失，而且会产生极坏的社会影响。例如：1 9 8 3 年6 月2 8 日凌晨一点钟，美国康涅狄格洲( c o n n e c t i c u t ) 的m i a n u s 高速公路大桥突然倒 塌，桥上的数部车辆随即坠入江中，造成3 人死亡和3 人受伤，造成大桥倒塌的主要原因 是桥的腐蚀和交通循环载荷引起的疲判i 】；1 9 9 5 年，在日本和俄罗斯先后发生大地震； 1 9 9 9 年，土耳其和我国的台湾省先后发生了强烈大地震。这些地震造成人员重大伤亡， 同时一些建筑物变成废墟，一些建筑设施发生不同程度的损伤【2 】；2 0 0 4 年5 月2 3 日清晨巴 黎戴高乐机场2 e 候机厅发生屋顶坍塌事故，多名旅客和机场人员受伤。调查报告说，候 机厅水泥顶棚与圆柱形金属支柱连接处出现了穿孔，最终导致拱形顶棚发生坍塌【3 】；2 0 0 5 年7 月，广州珠海区塌陷工地附近地海员宾馆北侧，由于支撑地基不堪重负，发生坍塌， 同年9 月，汕尾电厂工地发生坍塌事故，至少造成1 1 名工人受伤1 4 j ；2 0 0 6 年1 月德国b a d r e i e h e n h a l l 的一个培训礼堂突然倒塌，1 5 人死亡，几周以后波兰k a t o w i c e 的一座新的商 业建筑倒塌，6 0 多人死亡p j 。 从所列举的事故中可以看出，对于重要的现役建筑结构设施，其一旦发生破坏，后 果非常严重。另一方面，在已有的建筑物中，旧有建筑占有很大比例，随着时间的推移， 将有大量的建筑物达到或超过其设计基准周期，由于设计、施工质量和管理方面的原因， 其中绝大多数都存在着不同程度的破损，今后用于检测和修复的费用将相当巨大。因此 十分有必要采取一定的措施和技术手段对其进行监测诊断，预防事故的发生。 美国八十年代中后期开始在多座桥梁上布设监测传感器，用以验证设计假定、监视 施工质量和服役状态；丹麦对总长1 7 2 6 米的f a r o e 跨海斜拉大桥进行施工阶段及通车首年 的监测；墨西哥对t a m p i c o 斜拉桥进行了动力特性测试；瑞士在混凝土桥( s i g g e n t h a l b r i d g e ) 建设过程中安装了健康监测系统，采用了5 8 个光纤变形传感器，2 个倾角仪，8 第一章绪论 个温度传感器；泰国与韩国目前已开始在重要桥梁上安装永久性的结构整体与安全性实 时报警设备；挪威在主跨5 3 0 米的s k a m s u n d e t 斜拉桥上安装了能监测风、加速度、倾 斜度、应变、温度、位移等物理量的健康监测系纠6 1 。 在我国，结构地震损伤分析、重大工程结构智能健康监测和海洋平台结构安全保障 技术方面的研究成果已经应用于实际的工程中。姐：云南洱源县振戎中学食堂钢筋混凝 土地震损伤分析、北京饭店和沈阳市政府大楼等建筑结构的抗震加固【7 】，深圳地王大厦 安装的无线传感网络【8 】，南京电视塔上安装的主动阻尼器减少风振的影响【9 】，洞庭湖大 桥、南京三桥、宁波大桥、重庆大佛寺长江大桥、南京长江二桥、南京长江三桥、南京 长江大桥、黑龙江省呼兰河大桥、山东滨州黄河公路大桥斜拉索和哈尔滨松花江大桥等 十几座大桥上设计并实现了长期实时健康监测系统和定期实时健康监测系统【l0 1 ，渤海 j z 2 0 2 m u q 平台的结构实时安全监测系统于1 9 9 8 - 1 9 9 9 年冬季和1 9 9 9 - 2 0 0 0 冬季两次 试运行】都取得了很好的社会和经济效益。上述成果极大地促进了重大工程结构智能健 康监测系统与技术的发展，提升了我国重大工程结构防灾安全水平。 综上所述，为保障生命和物资财产的安全，减少重大经济损失，避免灾难性的悲剧 发生；同时也为对旧有建筑物进行合理维修、减少维护费用。采取有效的技术手段及方 法对现役土木工程结构及基础设施进行健康监测和损伤诊断显得尤为必要和迫切。 1 2 结构健康监测和损伤诊断的发展及研究现状 1 2 1 结构健康监测和损伤诊断的研究内容及发展概述 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 技术f l2 1 ，是指利用现场的无损 传感技术，通过对结构响应在内的系统特性分析，探测结构的变化，揭示结构损伤与结 构性能的劣化。损伤诊吲h l 是指结构在受到自然的( 如地震，强风等) 、人为的破坏， 或者经过长时期使用后，通过测定其关键性能指标，检查其是否损伤。结构损伤检测不 仅要通过结构响应信号判定损伤是否存在，而且还要进一步确定损伤位置和损伤程度， 并根据损伤后的结构参数计算和预测结构的承载能力。1 9 9 3 年r y t t e r l l 4 j 根据损伤评价系 统的功能，将结构损伤诊断分为4 个层次，依次为： ( 1 ) 判断结构是否存在损伤。是其它三个层次的基础。 ( 2 ) 损伤定位。是损伤检测的核心，也是损伤检测的难点。 ( 3 ) 损伤程度评估。是损伤检测的目的所在，也是进行结构修复与加固的依据。 ( 4 ) 结构剩余寿命的评估。 其难易程度和复杂性逐次提高，目前结构损伤检测与诊断大都停留在第三个层次上。 只有完善解决上述4 个水平的问题，至少是前3 个水平的问题，才是比较好的损伤检测 方法。前3 个水平直接与结构静、动力测试和建模问题相关，而第4 水平的工作通常要 用到断裂力学、疲劳寿命分析和结构设计评定等方面的知识，是其中最难的一项工作。 2 长安大学硕士学位论文 s o h n 认为一个完整的工程结构健康监测与损伤诊断系统应包括以下4 个部分f 1 5 l ： ( 1 ) 传感器与信号采集系统：信号采集是正确进行结构损伤识别的前提，只有采 集到能反映结构实际状态的信号，后续的识别工作才有意义。传感器用于将待测物理量 转变为电信号。常用的传感器有振动传感器、声级计、声发射传感器，温度传感器等。 随着检测系统的庞大化和复杂化，传感器的类型和数目都急剧增多； ( 2 ) 数据传输与信号处理系统：对传感器采集的信号进行处理，包括信号的过滤、 放大等，从而得到损伤识别用的特征参数。传感器采集的信号，有的是可以直接利用的， 例如温度、位移等，但大部分信号都需要经过放大、去噪声、融合、滤波和压缩，才能 得到对损伤敏感的特征参数； ( 3 ) 结构损伤识别系统：这是结构损伤诊断的关键，也是理论研究的热点，亦是 本文研究的主要内容。结构损伤识别的理论和方法是结构健康监测研究的核心。损伤识 别方法的正确选择是成功识别损伤的前提，要有效进行损伤有无的判断和程度的判定， 必然需要先选择好恰当的损伤识别方法； ( 4 ) 结构安全性评价系统：运用识别出的损伤结果判别结构的整体性能，运用可 靠度等理论分析评估结构的安全性和剩余寿命。通常与疲劳寿命的分析与结构设计评估 相联系提出合理的加固与维修方案。 结构损伤健康监测与损伤诊断系统工作流程图如图1 1 所示。其关键所在，从技术 上而言，主要是先进传感器的优化布置和信息的高效传输；从理论上而言，主要是结构 损伤识别和状态评估理论的发展【l6 1 。所以，结构健康监测要解决的问题是监测系统的实 现和结构损伤位置、程度的确定及结构性能评估理论的发展。 动态信息 传感器 状态信息 特征提取 竺堂竺墨r 翮一li 伤诊断 图1 1结构健康监测与损伤诊断系统工作流程图 对结构进行健康监测及损伤诊断的研究工作，国外开始于2 0 世纪4 0 年代，可以分 为三个阶段i j ： ( 1 ) 探索阶段：2 0 世纪4 0 年代到5 0 年代，注重对建筑结构缺陷原因的分析和修 补方法的研究，检测工作大多采用以目测为主的传统方法，但缺少对服役结构的状态( 如 载荷、温度、应力等) 和结构老化情况的监测： ( 2 ) 发展阶段：2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代，注重对建筑物检测技术和评估方法的 逵 第一章绪论 研究，提出了破损检测、无损检测、物理检测等几十种现代检测技术，以及分项评价、 综合评价、模糊评价等多种评价方法； ( 3 ) 完善阶段：2 0 世纪8 0 年代以来，制定了一系列的规范和标准，强调了综合评 价，并引入知识工程，将有限元分析等数值计算方法和结构损伤检测方面的专家经验结 合起来，使结构损伤检测和可靠性评估工作向着智能化方向迈进。 我国已于2 0 世纪7 0 年代中期开始结构损伤监测与损伤诊断技术方法的研究，虽然 起步较晚，但已引起了国家许多部门和单位的重视，开发和研究了许多符合我国国情的 诊断方法与技术。 我国正处于大规模的土木工程和基础设施建设时期，许多世界瞩目的重大工程与基 础设施已经建成或正在规划建设之中，如已经建成的三峡工程、正在建设的苏通大桥、 杭州湾大桥、渤海海域多座海洋平台和海底管线、2 0 0 8 年奥运会场馆等。我国政府、研 究人员与工程技术人员十分重视这些重大工程结构长期服役的安全性和耐久性，积极研 究、开发和应用结构智能健康监测系统，实时监测其服役期间的安全状况以避免重大事 故的发生。同时，我国重大工程建设和安全运行的需求也为重大工程结构健康监测系统 的研究、开发与应用提供了广阔的平台和前所未有的机遇。 1 2 2 结构损伤诊断的基本方法及存在的问题 为了能够及时获得结构的健康状态信息，靠对结构偶尔进行的测量是无法满足要求 的。健康监测旨在对结构进行长期的在线监测，以实时地动态地了解结构性能，对结构 安全性做出即时的评估。长期健康监测系统由永久性安装在结构上的传感器和数据采集 输出等软硬件设备组成的系统，它以结构的荷载、环境、响应等为监测对象，为及时地 评价结构的健康状态提供了丰富的资料，可实时地通过现场安装的损伤检测仪器和计算 机辅助完成的损伤识别技术对结构的健康状态做出评价【1 8 l 。结构健康监测的核心问题之 一，就是结构损伤识别。长期在线结构健康监测系统对硬件和软件都提出了更高的要求， 大大推动了损伤检测和损伤识别技术的发展。 土木工程结构损伤检测技术一般可分为局部检测和整体检测两大类。局部检测与评 定针对的是具体可疑的结构构件，即无损检测与评价i l9 1 ，如声发射法、超声法、射线法、 涡流法、光学诊断法、磁粉法、泄漏法、红外诊断法、探地雷达法等，局部检测目的性 极强，检测结果具体、准确，一般也要求能触及被测构件，多用在结构目标部位的常规 检测，检测结果可直接作为结构维修加固的依据。其缺陷是工作繁琐，费用高，无法对 大型复杂结构或事先无法预测损伤位置的结构是进行全面检查，只有在整体检测方法确 定目标部位以后使用较为合适，而且无法给出整体结构的受损程度信剧2 0 】。因此，人们 试图通过对结构整体特性和响应( 如变形、频率、相位、振型、阻尼与状态反应等) 的 测量和分析对结构损伤进行检测与评价，这就是整体检测法【2 ，如图1 2 所示，它是一 个结构分析的反问题，在已知结构响应和荷载作用，甚至只知道结构响应的情况下确定 4 长安大学硕士学位论文 结构参数，并进一步预测结构性能。 结构系统 图1 2 结构系统图 结构整体检测法按测试方式又分静力检测方法和动力检测方法。传统的静力检测技 术是对结构进行静载试验，测量与结构性能相关的静力参数，如变形、挠度、应变、裂 缝等，通过对这些参数分析，可直接判定结构静承载能力，并得出结构的强度、刚度及 抗裂性甜2 2 】。这种方法直观、直接和精确，能进行损伤定位和损伤程度估计，但试验耗 资、费时，而且还要对结构的正常使用实行管制，影响当地的正常社会生活和经济建设。 动力检测技术主要是为了弥补静态技术不足而发展起来的基于振动的检测技术，同 时振动测量是最常用的一种整体检测方法，也是一种无损检测方法。因为损伤引起的结 构参数变化会改变结构的动力特性，而动力特性的变化可以通过现场的动力试验测量得 到，因此，自然就可以利用测量结构动力特性的变化来识别结构的损伤【2 引。使用振动测 试方法，可以在整体意义上检测结构的损伤，包括处于难以触及位置的损伤。另外，结 构动态检测方法同传统的无损检测技术相比，具有信号易于提取，操作起来简单、快捷、 经济等优点。近年来，振动测试的损伤检测方法，在土木工程领域也越来越受到关注。 本文的研究也是在振动测试的基础上开展的。 基于振动的损伤识别方法的核心问题之一是寻找与结构动力特性密切相关且对结 构损伤敏感的损伤参数，如频率、振型、阻尼等，通过这些动力参数的变化判断结构损 伤情况【2 4 1 。根据动力测试数据种类和由测试数据进行识别的方法不同，基于振动测试的 结构损伤识别方法大致可以分为两类：即基于结构振动参数变化的识别方法和无模型识 别方法。 ( 一) 基于结构振动参数变化的识别方法 基于结构振动参数变化的识别方法从损伤结构的数学模型出发，研究损伤对响应的 变化规律。任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵等结构参数组成的动力学系 统。基于结构振动参数变化的识别方法有加载设备简便、测试速度快、振动信号易于提 取、传感器可安装在人们不宜接近的地方、损伤探测的过程不影响结构的正常使用等优 点【2 3 】。常用的动力参数主要有【2 3 】：频率、模态振型、应变模态曲率模态、功率谱、模 态应变能、能量传递比( e t r ) 、模态保证准则( m o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ，m a c ) 、坐 标模态保证准则( c o o r d i n a t em o d a la s s u r a n c ec r i t e r i o n ，c o m a c ) 和传递函数等。 有的学者是利用结构损伤前后振动模态的改变和各阶模态对结构的灵敏度分析来 实现损伤诊断的，或是依据结构模态参数推导各种结构损伤诊断指标。结构旦出现损 伤，势必引起结构参数的变化，从而导致系统模态参数和频响函数的变化，因此，模态 参数( 频率、振型和阻尼) 的改变可视为结构损伤发生的标志，可以利用损伤前后结构 第一章绪论 动力特性“指标”的变化来检测结构损伤。a l b e r t o 把损伤定义为刚度的变化，通过比较 结构损伤前后的动态参数、模态和振动频率可以确定损伤【2 升。s w i e r c z 等采用表面失 真技术，提出了基于频率分析的结构动态响应的损伤诊断方法【2 6 1 。j o s h i 用模态振型和 人工神经网络相结合的方法来检测结构损伤【27 1 。宗周红等利用能量传递比( e t r ) 指标 来诊断组合桥的常见损伤：支座损伤和钢梁开裂，得出了一些有价值的结论【2 引。曹晖等 采用一个简支梁和一个四跨连续梁为算例，将模态柔度曲率指标与模态柔度差、模态柔 度改变率和均匀荷载面曲率差、以及振型曲率改变率进行了比较，证明了模态柔度曲率 差检测损伤的有效性和优越性 2 9 】。刘龙等以曲率模态参数作为损伤识别指标，提出了基 于支持向量机的结构损伤位置两步识别方法p 们。 有的学者是从结构的有限元模型出发，他们充分利用理论建模与实验建模的优点， 其基本思想是首先用分析的方法建立具有先验性的结构有限元模型，然后依据动力测试 资料，如模态参数、加速度时程数据、频率响应函数等，通过条件优化约束，不断地修 正模型中的刚度分布，使计算的结构响应尽可能地接近实验得到的结构动态响应。当两 者基本吻合时，即认为此组参数为结构当前参数，进而由测得的模型刚度的退化，对结 构损伤进行判别和定位。因此，有限元模型修正是一个试图通过识别或修正有限元分析 模型中的参数，使有限元计算结果与实际结构尽可能接近的过程，通常认为属于优化问 题范吲”】。在结构工程领域，一般采用试验模态分析结果( 如频率、振型等) ，修正有 限元理论模型的质量、刚度等参数，使得修正后有限元模型的振动特性参数趋于试验值。 有限元模型修正过程不仅需要满足分析结果和试验结果的对应关系，而且修正后的参数 还要有实际的物理意义。确定目标函数，选取修正参数和应用有效的优化算法是结构有 限元模型修正中的三个关键步骤。 b i j a y a 等建立了一个基于模态柔度的有限元模型修正损伤识别方法，研究了噪声对 有限元模型修正损伤识别算法的影响，通过数值模拟和简支梁实验结构，验证了所建立 的结构损伤识别过程，同时也再一次证明了模态柔度对结构损伤较敏感【3 2 1 。李兵等利用 小波有限元法建立了裂纹悬臂梁的有限元模型，构造了无裂纹小波梁单元和裂纹单元刚 度矩阵和一致质量矩阵，将裂纹看作一刚度已知的扭转线弹簧，数值算例表明，这一处理 方法具有很高的分析精度【3 3 1 。高维成等在基于结构振动参数变化的损伤探测方法综述中 例举了关于这方面的国内外学者所做的大量的研究以及各种方法的优缺剧3 4 l 。周星德等 借助于数学上的拉直运算，把需修正的变量分离出来直接对其进行修正运算，对位于质 量矩阵和刚度矩阵带状内变量的变化范围进行了限制，算例表明该方法具有较高的修正 精度【3 5 1 。a s m a 等提出了一种基于频率响应函数的模型更新方法，对刚度矩阵和质量矩 阵的系数进行修正【j 引。 对土木工程结构进行有限元模型修正，必须考虑土木工程结构的特点。大型土木工 程结构的动力特性般由现场的振动试验确定，对于桥梁一类的土木工程结构，在正常 工作条件( o p e r a t i o n a lc o n d i t i o n ) 下，风、车辆、行人等是一种自然的环境激励( a m b i e n t e x c i t a t i o n ) 方式。直接利用环境激励时桥梁的振动响应数据进行有限元模型修正，具有 6 长安大学硕士学位论文 明显的优点：不需额外的人工激励，不必中断交通，更符合结构实际的边界条件与工作 状态，可以实现实时的监测等。因此基于环境振动的土木工程结构有限元模型修正方法 更具有实际意义【3 7 1 。有限元模型修正方法在划分和处理子结构上具有很多优点，但是在 实际应用中，由于测试模态集不完备、测试自由度不足以及测量信噪比低等原因，很少 能够给出修正所需的足够信息，易产生病态方程，常导致解的不唯一性。 ( 二) 无模型识别方法 无模型识别是直接基于振动测试信号的结构损伤识别方法，避免了建模这一中间过 程，具有显著的优点。包括人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的识别方法( 主要包括神 经网络法、专家系统法和遗传算法等) 和各种现代信号处理方法等。无模型的损伤识别 技术直观、省时，因而在土木工程结构在线健康监测中是可行的。 1 基于信号处理的方法 这类方法采用数字信号处理方法直接对结构响应信号进行分析和处理，根据信号参 数的变化或统计，达到损伤识别的目的。目前，在结构损伤诊断中，常用的现代信号处 理和提取特征方法有：高阶谱分析、时间序列模型分析方法、短时f o u r i e r 变换、 w i g n e r - v i l l e 分布、盲源分离分析方法、兰姆波( l a m bw a v e s ) 技术、小波分析和 h i l b e r t h u a n g 变换( h i l b e r t h u a n gt r a n s f o r m ，h h t ) 等p 引，从而在损伤诊断领域形成 了一个“百花齐放、百家争鸣 的欣欣向荣的局面。 传统的基于傅里叶变换的分析方法虽然在频率域中具有较好的局部化能力，适合分 析平稳信号，但无法从信号的傅里叶变换中看出信号在任一时间点附近的性态。s t f t 能够同时进行时频局域性分析，但其时频窗口的大小是固定不变的，没有自适应性，不 能有效地分析非平稳信号1 3 9 】。 小波变换是继傅里叶变换后出现的一个新的数学工具，是建立在泛函分析、傅氏分析 和调和分析基础上的新的信号分析处理方法，其基本思想是用一簇小波函数表示或逼近 一个函数( 信号) ，具有伸缩、平移和放大功能，在时域和频域上同时具有强大的局部 化性能，能对不同的频率成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，被誉 为分析信号的“显微镜”。另外，小波变换对信号的奇异点十分敏感，可以识别结构响 应信号中存在的奇异性或突变信息，而这些信息往往反映了结构的损伤情况。因此可利 用小波变换进行奇异信号检测、信噪分离和信号频带分析来提取损伤特征，确定结构的 损伤情况【4 u j 。 h h t 是近年来对基于f o u r i e r 变换的信号处理方法的一个重大发现【4 。该方法将时间序 列数据用经验模式分解( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ，e m d ) 分解成固有模式函数 ( i n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n ，i m f ) 组，然后对每个i m f 进行h i l b e r t 变换( h i l b e r tt r a n s f o r m ， h t ) 得到信号的时频谱图；因为每个i m f 可以认为是信号中一个固有的模式，这些谱图 能够准确地反映系统的局部特性【4 1 1 。与f o u r i e r 变换和小波变换采用基函数分解信号不 同，h h t 的e m d 分解没有明确的基函数表达式，但具有良好的局部性能和自适应性，具 有分析平稳和非平稳信号的能力。 7 第一章绪论 另外，其它先进的信号处理方法也被用于损伤监测和特征提取。s o n g 等人采用独立 分量分析特征提取和支持向量机分类相结合的方法，准确地检测结构的损伤【4 2 】；h i l b e r t 等通过超声波成像技术观察兰姆波传播和损伤之间的关系，根据主动兰姆波信号分析渐 进损伤类型【4 3 】；b o e 用统计过程控制技术和主分量分析方法来诊断结构损伤的位置【翎。 2 神经网络法 神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，朋州) 法是一种重要的结构损伤识别智能方 法，是对人脑和自然神经系统若干基本特征的抽象与模拟，是结构损伤智能识别的重要 组成部分。近几年，用神经网络方法解决结构损伤识别诊断、参数识别和动力学反问题 己成为该领域新的研究热点。解决上述反问题从本质上可归为模式识别与模式匹配问 题，而这正是神经网络方法所具有的强大功能之一。用神经网络方法解决上述反问题的 最大特点就是无需结构的分析模型，通过网络学习，直接建立系统的输入输出非线性映 射关系，具有实时解决反问题的能力【4 习。 ( 三) 基于振动的损伤检测技术存在的问题 近年来，基于振动的损伤检测技术无论在学术上或在实际应用研究中都取得了长足 的进步，但是对于高层建筑、桥梁等复杂土木工程结构的损伤检测，还有许多问题有待 进一步的研究和解决。现有的土木工程健康监测和损伤检测的技术和方法还有待改进， 主要存在以下几个问题【2 l 】： ( 1 ) 监测系统的传感器数量偏多、针对性不强，庞大硬件系统难以长期稳定可靠 地工作，系统出现故障的几率较高，无法达到设计使用寿命。要使其正常运行的维护保 障费用很高，因此很难正常使用； ( 2 ) 传感系统信号传输的信噪比低，传感器信号通过信号传输网络长距离传输到 数据采集、处理服务器，再进行数据处理、分析和存档。因此数据传输环节的噪声降低 了传感器的信噪比，从而降低了监测数据的可信度； ( 3 ) 健康监测系统缺乏统一规划设计，没有把施工过程控制和长期健康监测所需 的传感器布点结合起来，往往只考虑健康监测系统的设计。 ( 4 ) 系统实施中硬件系统集成和分析评估数据处理软件系统的研发分割严重，系 统采集到的数据与研究分析单位的需要不一致，分析研究所关心的结构信息无法从监测 系统获得，因此无法实现监测为评估提供结构实用信息的目的。同时，虽然数据采集系 统可以对各传感器的响应信号进行连续的实时采集，但由于所采集的数据量过于庞大， 如何有效地处理、管理和分析这些数据是结构健康监测系统研究亟待解决的问题； 健康检测系统的是损伤识别，目前最热门的是基于振动的检测( v i b r a t i o n b a s e d d e t e c t i o n ) 技术。虽然已经取得了不少成果，但基本还处在数值模拟或实验室模拟阶段， 真正成功应用于工程实际的很少。其原因与测量误差、环境的影响、模型误差以及结构 动力特性本身存在变异等不确定因素有关。 8 长安大学硕士学位论文 1 2 3 信号处理和神经网络在结构健康监测中的研究现状 前面已经讨论了小波分析、h h t 和神经网络在结构健康监测与损伤诊断中的适应 性，下面主要介绍近年来，国内外的一些学者在这方面所做的研究及评价。 1 9 9 8 年，h u a n g 等人创立了h h t 的新方法【4 1 1 。由e m d 和h t 两部分组成，其核心是 e m d 。e m d 是一种新的时频分析方法，克服了传统f o u r i e r 变换处理非平稳信号时会出 现虚假频率的缺点，对分析非平稳及非线性信号具有很大的优越性。近年来，h h t 已应 用到结构损伤诊断领域中。 l i n 等证明了h h t 可以识别基准建筑结构的参数，可以很准确地检测到建筑结构的 损伤位置和程度【4 6 】；q u e k 等分析t h h t 在结构损伤诊断中的适应性【4 7 】；t u a 等利用裂缝 反射波h i l b e r t 谱的能量峰值判断结构裂缝的方向和位置【4 8 】；s a l v i n o 等证明了用e m d 从瞬 态信号中提取相位信息来推断结构的损伤【4 卅；h a 等研究了h h t 在多层结构中的应用， i m f 的不连续性表明了连续结构损伤的发生和位置【5 0 】；q u e k 等比较了小波分析和e m d ， 结果表1 3 归e m d 为损伤诊断提供了一个更为直接的提取信号的方法【5 i 】；y a n g 等采用刚度 的突然损伤来模拟结构损伤，利用e m d 识别结构损伤的时间和位置，并利用h h t 识别结 构损伤前后的频率和阻尼比【5 2 】；h u a l l g 等把h h t 用于铁路桥梁( 5 3 1 ；l i u 等用h h t 方法作 为结构损伤诊断的信号处理方法，分别对仿真数据和实际数据进行了分