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近年来,准分布式传感技术发展迅速,在大跨桥梁结构健康监测领域具有广泛的应用前景。但目前缺乏与此相适应的损伤识别技术。基于此,本文吸承现有损伤识别方法的优点,改进其缺点,结合近几年新兴的准分布式(密集型测量)测试技术,发展了多种基于准分布式应变数据的损伤识别指标,主要包括基于准分布式应变模态的损伤识别方法和基于准分布式应变响应能量法的损伤识别方法两大类,其优势在于通过直接采用结构各部位的准分布式应变数据,精准地掌握结构的整体和局部动力特性,明显地提高损伤指标对结构的损伤识别能力。本文所展开的主要工作和研究内容如下:
1.从多自由度动力方程出发,推导了大跨斜拉桥主梁准分布式应变响应的频域表达式,得到其准分布式应变传递函数,进而提出“准分布式应变模态”概念。通过对大跨斜拉桥结构的模态分析,验证位移模态与准分布式应变模态的一致性。并基于斜拉桥不同机构的损伤状况,利用准分布式应变模态,对其损伤识别效果进行了敏感性分析。
2.分析了准分布式应变传递函数和位移传递函数的关系,结合随机振动功率谱谱密度理论和试验模态理论,开发了准分布式应变模态参数的新辨识方法。并通过处于随机环境激励作用下大跨斜拉桥进行了模态辨识。其结果表明,识别出的振型不依赖于外部激励的形式、大小等条件,能全面准确地反映结构内在动力禀性,且空间局部性强。
3.逐一分析了影响应变模态差损伤指标MSD识别效果的各种因素,通过对桥梁在不同测试环境条件下的多次辨识,提出了基于准分布式应变模态残差趋势的损伤识别策略。最大程度上降低了随机环境激励、模态归一化点位置选取、单元损伤程度以及噪声干扰水平等因素对MSD识别效果的不利影响。有效地弥补了因传统模态差损伤指标鲁棒性较差引起的对结构初期微损伤辨识能力较弱的缺陷。
4.引入应变传递函数能量谱和相对应变比能的概念,提出了基于准分布式应变响应的能量法损伤识别策略,包括能量差(ED)和相对能量变化比(RSE)损伤指标以及求解结构单元损伤度的方法。数值算例验算表明,能量法损伤指标具有很好的损伤量化能力以及抗噪声污染能力。对于结构中等损伤和小损伤,通过任一指标都能较为准确辨识;对于初期微损伤,通过综合两种指标进行识别,更能有效地减少损伤误判和损伤湮没现象,对结构起到一定损伤预警作用。
本文的创新之处在于:
1.所提出的基于准分布式应变模态残差趋势的损伤识别策略很好地解决了传统模态法损伤指标损伤识别效果不稳定、对结构早期轻微损伤不敏感的缺陷,有效地降低了各种随机干扰对损伤识别过程的不利影响。
2.所提出的基于准分布式应变响应的能量法损伤识别策略结合了准分布式应变传感数据适合结构局部区域能量求解的特点,最大程度上剔除了激励的影响,避免了采用结构的模态参数作为损伤识别的输入参数,避免了模态参数复杂的提取过程以及由此造成的诸如模态串位、遗漏、截断、模态不完备及计算等误差。