基于模态参数的结构损伤识别的方法.ppt

第9章 基于模态参数的结构损伤识别方法 哈尔滨工业大学土木工程学院 2013年6月27日 课程《结构损伤识别与健康监测》 主要内容 引言 损伤识别发展过程 基于模态参数的经典损伤识别方法 例子 9.1 引言 全世界重大工程结构倒塌事故时有发生 不包括地震，全世界：近40余座桥梁发生倒塌。 美国每年桥梁投资：90％桥梁维修，10％新建桥梁 美国近60万座桥梁：性能不足的占所有桥梁的28.6% 美国和日本等：经济腾飞时建造的桥梁性能衰退最快 我国：公路危桥为9597座，每年实需维修费38亿元 我国已建公路和铁路总里程达到423万公里和11万公里，位居 世界第二! 公路桥梁69万座（世界第一） 铁路桥梁6.5万座（世界第一） 1999年 重庆綦江彩虹桥 （巴西P－36平台破坏，2001） 2000年台湾高屏大桥 2000年南门大桥事故 辽宁盘锦田庄台大桥 （2004年6月10日） 结构健康监测技术成为保障重大工程安全的重要途径 结构损伤识别技术成为热点的研究课题 结构是否损伤? 完整的损伤识别过程 结构损伤位置? 结构损伤类型? 结构损伤程度? 结构是否安全？ 9.2 结构损伤识别研究现状 基于自振频率的结构损伤识别方法 基于振型的结构损伤识别方法 模态置信度判据法（MAC, COMAC） 曲率模态法 柔度法 刚度法 β指标法 残余力向量法 基于传递函数（频响函数）的结构损伤识别方法 基于时间序列信号分析的结构损伤识别方法 AR模型 Hoon Sohn (2000) 基于统计的结构损伤识别方法 Bayesian理论 随机有限元 基于模式分类的结构损伤识别方法 神经网络 支持向量机 K. Worden （2001） 基于信号处理的结构损伤识别方法 小波变换 HHT变换 非线性结构损伤识别方法 分形维数 Chaos（混沌） 关键问题 测试噪声及各种环境不确定性干扰 环境综合激励并非理想白噪声 测试自由度及模态不完备 测试技术及仪器精度的制约 土木工程结构的损伤识别问题目前没有真正的解决 9.3 经典损伤识别方法 通过频率进行损伤识别，首先可以通过频率的变化直接判断结构是否发生损伤，也即 (1) 基于频率的损伤识别方法 如果测得结构的某几阶频率降低，可以判断结构发生了损伤，这样简单直观，但是稳定性较差，容易受噪声和环境因素等影响。因此可以结合概率统计的方法，观测一段时间内的频率变化来判断是否损伤。 是损伤前后的结构实测频率 (2) 基于振型的损伤识别方法 1）模态置信度判据法（ Modal Assurance Criteria ） 模态置信度判据法是利用模态置信判据进行损伤识别（如MAC、COMAC）。其原理是：当损伤未发生时，模态置信度判据为1。可一旦破坏发生，由于振型的变化，模态置信度判据不等于1。 Pandey等人提出，当得到损伤结构和完好结构的振型后，每一个位置处的曲率便可以用中心差分法近似地得到： 2）曲率模态法 对所取结构振型超过一个时，总的曲率差为各个模态曲率差的和 已知结构的固有频率 与振型 已知特征方程， 对特征方程两端右乘 3）柔度法 柔度矩阵是刚度矩阵的逆 再将式 右乘 得： 令结构损伤前后柔度矩阵为 ， 则损伤前后柔度矩阵的变化量为 将 对角线元素标准化，可以用来作为损伤指标 9.3 例子 损伤工况： 单元损伤分别为：10% ，20%，40%，60% 响应数据加噪声： 0、2%、5%、10%、15%、20% 测点布置方案 8 测点 12 测点 2.4 曲率模态法 振型的识别 8测点，无噪声 8测点，20%噪声 12测点，无噪声 12测点，20%噪声 8测点 10%噪声 15%噪声 20%噪声 无噪声 2%噪声 5%噪声 曲率模态法 40%损伤 60%损伤 10%损伤 20%损伤 曲率模态法 12测点 10%噪声 无噪声 2%噪声 5%噪声 15%噪声 20%噪声 曲率模态法 40%损伤 60%损伤 10%损伤 20%损伤 曲率模态法