隧道结构损伤识别的小波分析方法研究

论文摘要

隧道是交通运输系统的重要组成部分，隧道结构的安全是交通运输系统正常运转的前提。在实际工程应用中，自于隧道设计施工和自然灾害等原因，往往使得许多隧道产生老化、裂缝、破损等损伤，可能使隧道结构发生断裂垮塌等严重后吊，从而导致人们生命财产的重大损失。小波分析方法是国际上近年来贳展起来的一种新的时频分析法，它具有空间局部化性质，在信号奇异性检测方面有着独特的优势。采用小披分析方法，研宄隧道结构的损伤识别问题，不仅具有重要的理论意义，而且对于工程实际具有重要的应用价值。本文采用小波分析理论,研究损伤对隧道结构动力特性的影响,针对位移模态、转角模态和曲率模态,分别建立了隧道结构的损伤识别原理。本文以含有损伤的隧道结构为研究对象,建立了隧道结构的曲梁单元模型,利用有限元法分析隧道结构的振动特性,通过计算得到隧道的位移模态、转角模态和曲率模态。以dbN小波为母小波,并采用小波分析对模态参数进行连续小波变换,用单元的尺寸减小来模拟隧道的局部损伤,计算表明小波系数模极大值的突变位置与损伤位置相吻合,从而验证了本文方法的有效性。本文提出了二维刚性地基隧道模型,建立了相应的隧道损伤识别小波分析方法。采用有限元计算分析,研究二维刚性地基隧道损伤结构的振动特性,通过计算得到了隧道损伤模型的位移模态、转角模态和曲率模态,并利用dbN小波对模态参数分别进行连续小波变换,采用单元的尺寸减小来模拟隧道的局部损伤,计算表明小波系数模极大值的突变位置与模拟损伤位置相一致,从而验证了本文方法的有效性。在考虑地基对隧道结构影响的基础上,本文提出了二维弹性地基隧道模型,建立了相应的隧道损伤识别小波分析方法。通过研究隧道结构的振动特性,得到弹性地基隧道模型的位移模态、转角模态和曲率模态,利用dbN小波对其模态参数分别进行连续小波变换,采用单元的尺寸减小来模拟隧道的局部损伤,计算表明小波系数模极大值的突变位置与模拟损伤位置相吻合,从而验证了本文方法的有效性。本文以湖南省东常高速公路太阳山隧道为依托,根据太阳山隧道在开挖过程中发生坍塌这一实际情况,结合隧道施工监控数据,利用二维弹性地基隧道模型,对隧道进行了损伤识别研究,验证了基于模态参数识别隧道结构损伤方法的有效性,对隧道结构损伤识别的工程应用有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结构损伤识别方法的国内外研究现状
• 1.2.1 基于结构固有频率变化的损失识别方法
• 1.2.2 基于振型的损伤识别方法
• 1.2.3 柔度矩阵法
• 1.2.4 遗传算法
• 1.2.5 神经网络法
• 1.3 小波分析在结构损伤识别中的应用
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 小波分析基本理论
• 2.1 连续小波变换的基本原理
• 2.1.1 小波的定义
• 2.1.2 连续小波变换（CWT）
• 2.1.3 连续小波变换的性质
• 2.1.4 连续小波变换的频率特性
• 2.1.5 连续小波变换的尺度特性
• 2.1.6 连续小波变换与时频分析
• 2.2 几种常见的小波介绍
• 2.2.1 Haar 小波
• 2.2.2 Daubechies（dbN）小波
• 2.2.3 Gaussian 小波
• 2.2.4 Mexican Hat（Mexh）小波
• 2.2.5 symlet（symN）小波
• 2.2.6 Morlet 小波
• 第三章 基于小波分析的结构损伤识别原理
• 3.1 小波分析损伤识别方法
• 3.2 小波奇异性理论
• 3.2.1 信号奇异性的性质
• 3.2.2 小波变换识别奇异点位置的方法
• 3.2.3 小波基函数和分析尺度的选择原则
• 3.3 小波变换识别模态参数的基本原理
• 3.4 隧道损伤识别原理
• 3.4.1 基于振型的隧道损伤识别原理
• 3.4.2 基于转角模态的隧道损伤识别原理
• 3.4.3 基于曲率模态的隧道损伤识别原理
• 第四章 基于小波分析的隧道结构损伤识别方法
• 4.1 引言
• 4.2 曲梁单元隧道模型的小波损伤识别
• 4.2.1 曲梁单元隧道模型
• 4.2.2 位移模态的小波损伤识别
• 4.2.3 转角模态的小波损伤识别
• 4.2.4 曲率模态的小波损伤识别
• 4.3 二维刚性地基隧道模型的小波损伤识别
• 4.3.1 二维刚性地基隧道损伤模型
• 4.3.2 位移模态的小波损伤识别
• 4.3.3 转角模态的小波损伤识别
• 4.3.4 曲率模态的小波损伤识别
• 4.4 二维弹性地基隧道模型的小波损伤识别
• 4.4.1 二维弹性地基隧道损伤模型
• 4.4.2 位移模态的小波损伤识别
• 4.4.3 转角模态的小波损伤识别
• 4.4.4 曲率模态的小波损伤识别
• 4.5 本章小结
• 第五章 太阳山隧道的施工监控及损伤识别
• 5.1 太阳山隧道的工程概况
• 5.1.1 工程背景
• 5.1.2 自然条件
• 5.1.3 工程地质条件
• 5.1.4 水文地质条件
• 5.1.5 不良地质现象
• 5.1.6 隧道工程地质评价
• 5.1.7 地震
• 5.1.8 隧道规模
• 5.1.9 隧道断面设计图
• 5.2 隧道施工监控目的及内容
• 5.2.1 隧道施工监控的目的
• 5.2.2 隧道施工监控的项目
• 5.3 太阳山隧道的监控量测及损伤识别
• 5.3.1 太阳山隧道坍塌情况
• 5.3.2 太阳山隧道监控数据
• 5.3.3 太阳山隧道的损伤识别
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录