梁式结构采用小波包方法的损伤识别研究

论文摘要

近些年来,工程结构尤其是正常运营期间的大跨桥梁结构的安全性、整体性与耐久性的健康监测已经成为国内外的研究热点。在环境侵蚀、材料老化、荷载长期效应、疲劳效应和突变效应等灾害因素的共同作用下,结构将无法避免地发生损伤,某些构件的损伤甚至可能扩展很快,这就要求健康监测系统能及时捕捉到损伤发生的时刻,并能准确地进行损伤定位,从而为工程结构的维护和管理提供依据。小波变换是继傅立叶变换之后出现的一个新的数学工具,它在时域与频域上同时具有强大的局部化特性,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,被认为是分析信号的显微镜。本文利用小波包变换对结构动力响应信号进行分析,对如何利用小波包分析进行损伤特征的提取,识别结构中的损伤程度并进行损伤定位,包括在有噪声干扰下的损伤定位做了初步探索。理论分析和试验研究表明:小波包变换不仅可以正确进行损伤程度的判别,还可以进行小损伤情况下的损伤定位,而且在噪声影响下也能正确识别损伤位置。本文的主要内容如下:①介绍了基于小波包能量谱的结构损伤预警基本思路,对小波函数的选择,小波包分解层次的确定,结构损伤特征向量的构建以及结构损伤预警指标的定义进行了详细说明,并对一钢筋混凝土简支梁和预应力混凝土箱梁的实验数据进行分析,对其在各荷载工况下的损伤程度进行判别。②对比基于随机子空间频率识别法,说明小波包能量法的好处。③讨论了测点布置对损伤程度判别效果的影响。④介绍了基于小波包频带能量法的结构损伤定位原理,并用ANSYS建立一简支梁结构模型,讨论其在小损伤情况下不同损伤位置的单一损伤和多损伤定位效果。⑤讨论在不同损伤位置,不同损伤程度和不同的噪声水平下的损伤定位效果。⑥对一含有较低信噪比信号的钢梁进行损伤定位。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基于小波分析的结构损伤检测国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 小波分析和小波包分析理论
• 2.1 傅里叶变换
• 2.2 小波变换
• 2.3 常用小波函数介绍
• 2.4 多分辨率分析
• 2.5 小波包分析
• 2.5.1 小波包的定义
• 2.5.2 小波包的正交性质
• 3 基于小波包能量的结构损伤预警研究
• 3.1 结构损伤预警方法
• 3.1.1 小波基函数的选择
• 3.1.2 小波包分解层数的选择方法
• 3.1.3 结构损伤特征向量的构建
• 3.1.4 结构损伤预警指标的定义
• 3.2 混凝土简支梁分析
• 3.2.1 试验概况
• 3.2.2 试验内容
• 3.2.3 试验结果及分析
• 3.2.4 讨论—与随机子空间模态识别法的比较
• 3.3 预应力混凝土箱梁分析
• 3.3.1 实验概况
• 3.3.2 实验内容
• 3.3.3 实验结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于小波包频带能量法的结构损伤定位分析
• 4.1 基于小波包频带能量法的损伤识别方法
• 4.1.1 小波包分解与信号频率的关系
• 4.1.2 小波包能量变化指标SSD
• 4.1.3 损伤定位过程
• 4.2 仿真算例分析
• 4.2.1 模型概述
• 4.2.2 单个损伤识别
• 4.2.3 两处损伤识别
• 4.2.4 多处损伤识别
• 4.2.5 噪声对损伤识别的影响
• 4.3 简支钢梁分析
• 4.3.1 试验概况
• 4.3.2 试验步骤和试验工况
• 4.3.3 试验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 结语
• 5.1 主要研究工作及结论
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录