管道悬索跨越结构抗震能力和健康诊断研究

论文题目: 管道悬索跨越结构抗震能力和健康诊断研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 防灾减灾工程及防护工程

作者: 王金国

导师: 张敏政

关键词: 管道悬索跨越结构,抗震能力,振动台实验,健康诊断,模式识别,人工神经网络

文献来源: 中国地震局工程力学研究所

发表年度: 2005

论文摘要: 本文围绕长输油气管道悬索跨越工程的抗震能力和健康诊断技术,利用理论分析、模型实验和数值模拟手段进行了较为系统的研究。在总结震害经验和分析受力特点的基础上,概括归纳了该类结构的三种基本损伤模式。提出了基于模式识别的多级整体健康诊断方法,建立并验证了健康诊断的神经网络模型。此外,还建议了基于简单缆索受力监测的局部诊断方法,该方法可与整体诊断方法结合使用,判断结构系统的损伤模式、损伤位置和损伤程度。主要研究内容和成果如下: 1 设计制作了管道悬索跨越工程的1:8 缩尺模型。在总结震害经验和分析受力特点的基础上,概括归纳了该类结构的三种基本损伤模式(塔架损伤模式、吊索损伤模式和斜拉索损伤模式)。就系统的完好状态和三种损伤模式分别进行了实验研究。进行了模态实验、敲击激振实验、白噪声和地震波输入的振动台实验,以及缆索拉力和振动频率的测试。实验结果为评估结构体系的抗震能力和建立系统的健康诊断方法提供了依据。2 利用ANSYS 程序建立了原型结构和模型结构的有限元分析模型,考虑缆索的预应力和大变形、进行了完好状态和不同损伤模式下的静力分析和模态分析,也尝试进行了地震反应分析。就索力和体系自振频率而言,模型结构的实验结果和数值模拟结果基本吻合。数值分析也表明,原型结构和模型结构具有相似性,模型实验结果可作为分析实际工程的依据。3 模型实验和数值模拟表明,管道悬索跨越工程具有较强的抗震承载能力和系统的稳定性。在三向地震动同时作用下,当输入地震动加速度达到0.5g(相当于地震烈度ⅸ度)时,系统构件仍未达到强度极限、未发生破坏;即使在人为造成的三种损伤模式下,体系仍保持稳定,可维持运行功能。4 对实验得到的结构体系自振频率参数进行了统计特征分析、区别不同损伤模式利用符号检验法进行了实测数据的显著性检验,确定前两阶频率参数可作为健康诊断的指标。建立了基于频率参数(频率和频率比)的多级整体健康诊断方法,可逐次识别结构的三种损伤模式。5 运用MATLAB6.5 工具箱,基于整体模式识别方法,建立了用于管道悬索跨越工程健康诊断的BP 人工神经网络。利用模型实验所得到的部分模态参数进行BP 网络训练,再用其余部分数据对网络功能进行验证。结果表明,该网络模型对三种损伤模式具有良好的识别能力。6 讨论了对缆索应力进行局部监测的技术方法。实验和分析表明,简单拉索的索力和振动频率间存在简单的线性关系,可利用敲击激振方法实测估

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 本课题研究背景及意义

1.2 悬索跨越结构的分析研究状况

1.2.1 悬索跨越结构及其计算方法

1.2.2 悬索跨越结构的非线性问题

1.3 健康诊断的基本概念和方法

1.3.1 健康诊断的基本概念

1.3.2 现代健康诊断系统及其组成

1.3.3 传感器

1.3.4 信号采集与分析系统

1.3.5 健康诊断与安全性评价

1.4 跨越结构抗震能力与健康诊断的研究状况

1.5 本文主要研究内容

第二章 模型设计与实验方案

2.1 工程概况和模型设计

2.2 相似律的应用和相似关系

2.3 传感器布设

第三章 完好状态的模型实验

3.1 模态实验

3.2 地震模拟实验

3.3 小结

第四章 损伤状态模型实验

4.1 塔架锚固螺栓失效损伤状态实验

4.2 吊架失效损伤状态实验

4.3 斜拉索失效损伤状态实验

4.4 小结

第五章 悬索跨越结构有限元分析

5.1 基本理论

5.1.1 结构矩阵

5.1.2 静力分析

5.1.3 模态分析

5.1.4 瞬态动力分析

5.2 有限元模型的建立

5.2.1 单元的选取

5.2.2 有限元模型

5.3 有限元分析结果

5.3.1 静力分析结果

5.3.2 模态分析结果

5.3.3 地震反应分析结果

5.4 损伤状态跨越结构的有限元分析结果

5.4.1 塔架地脚螺栓失效损伤状态

5.4.2 吊索失效损伤状态下

5.4.3 斜拉索失效损伤状态下

5.5 小结

第六章 基于模式识别的整体诊断方法

6.1 结构体系自振频率参数的获取

6.1.1 敲击实验的结构体系的振动频率

6.1.2 地震模拟实验的结构的自振频率

6.2 实测模态参数的统计特征分析

6.3 基于符号检验法的结构自振频率的分析

6.4 损伤模式的多级识别方法

6.5 小结

第七章 人工神经网络在模式识别中的应用

7.1 神经网络的基本特性

7.2 BP 网络基本结构和反向传播算法

7.2.1 BP 网络基本结构

7.2.2 反向传播算法

7.3 在MATLAB6.5 中使用BP 网络

7.3.1 创建网络体

7.3.2 初始化权重

7.3.3 测试网络

7.3.4 训练函数

7.3.5 用于改善学习效果的函数

7.3.6 传递函数

7.4 用BP 网络对管道悬索跨越结构进行损伤识别

7.4.1 结构损伤模式的确定和特征参数的选取

7.4.2 构建BP 网络体

7.4.3 构造网络学习目标向量

7.4.4 训练网络

7.4.5 验证网络的有效性

7.5 小结

第八章 局部检测法与总体检测法的结合

8.1 钢索应变的在线监测

8.2 钢索自振频率的检测

8.2.1 钢索抗拉强度实验

8.2.2 钢索振动频率与索力实验

8.3 索力与频率关系的计算分析

8.3.1 考虑索上传感器质量对斜拉索索力与频率的分析

8.3.2 不考虑索上传感器质量对斜拉索索力与频率的分析

8.4 钢索索力的检测

8.5 对索的局部检测法与总体检测法的结合

8.6 小结

第九章 结论与展望

9.1 主要研究成果

9.2 下一步工作展望

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间的研究成果及发表的论文

致谢

发布时间: 2006-03-01

参考文献

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