基于多模態(tài)參數(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法研究.pdf

1、隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，交通設(shè)施中涌現(xiàn)出許多結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特和一些跨江跨海大型橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁數(shù)量日益增多。由于橋梁在設(shè)計(jì)階段、施工階段以及后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中受到一些不可抗力因素的影響，從而產(chǎn)生不同程度的損傷，一旦損傷達(dá)到一定程度，將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)境造成了重大的影響。為了充分了解現(xiàn)有橋梁的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，就必須對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷識(shí)別，確定損傷的位置和程度，為后期的維修和養(yǎng)護(hù)提供參考依據(jù)，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。因

2、此，開(kāi)展對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文在廣泛閱讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域已取得的研究成果，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)參數(shù)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，可以同時(shí)識(shí)別出結(jié)構(gòu)損傷的位置和損傷的程度。主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)結(jié)合本課題的研究背景和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，著重指出了在結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題以及相關(guān)

3、發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)地歸納了目前用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的方法，深入地比較和分析了各種識(shí)別方法的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍及前景，為下一步橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法的研究奠定了理論基礎(chǔ)。
　　(2)開(kāi)展了對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的研究，對(duì)常用的幾種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了比較分析，并系統(tǒng)地研究了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷的基本原理及步驟。提出組合損傷指標(biāo)—曲率模態(tài)和柔度曲率，然后以曲率模態(tài)和柔度曲率組合指標(biāo)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，

4、以單元的損傷狀態(tài)作為輸出向量，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多模態(tài)參數(shù)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法。以一簡(jiǎn)支梁為研究對(duì)象，進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)，在通用有限元軟件MIDAS的平臺(tái)上，針對(duì)單損傷、對(duì)稱損傷、非對(duì)稱損傷等多種損傷工況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，均能有效地識(shí)別出損傷的位置和程度，取得了良好的效果，驗(yàn)證了本文識(shí)別方法的有效性和可靠性。
　　(3)針對(duì)橋梁中廣泛使用的桁架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)。針對(duì)鋼桁架橋的特點(diǎn)，選取一些關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行損傷識(shí)別，這樣就

5、減少了訓(xùn)練樣本的數(shù)量，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度。在數(shù)值模擬中，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了單損傷和多損傷的識(shí)別，研究表明該方法不僅能進(jìn)行準(zhǔn)確地?fù)p傷定位，而且還能對(duì)損傷進(jìn)行定量。在模型試驗(yàn)中，通過(guò)預(yù)制好的損傷構(gòu)件來(lái)替換完好的構(gòu)件形成損傷結(jié)構(gòu)，由于試驗(yàn)本身的限制，部分損傷樣本通過(guò)模型試驗(yàn)獲得，所獲得的損傷樣本作為網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試樣本。通過(guò)分析訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在單損傷工況和多損傷工況中的識(shí)別結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，這也進(jìn)一步證實(shí)本文提出的識(shí)別

6、方法的有效性和可靠性。
　　(4)建立了基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉蛄航Y(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的試驗(yàn)平臺(tái)。以薄壁結(jié)構(gòu)相似理論為基礎(chǔ)，針對(duì)九江長(zhǎng)江大橋鋼桁梁柔性拱橋的特點(diǎn)，推導(dǎo)了其靜動(dòng)力相似關(guān)系，利用模態(tài)分析理論得出了各個(gè)模態(tài)參數(shù)的相似比，并通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)驗(yàn)證了相似關(guān)系的準(zhǔn)確性，并以此為依據(jù)闡述了縮尺后模型具體設(shè)計(jì)和制作過(guò)程。設(shè)計(jì)了模型橋的動(dòng)載試驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件下對(duì)橋梁進(jìn)行了動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)定了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。
　　(5)利用大型的通用有限元軟件

7、ANSYS分別建立了九江長(zhǎng)江大橋柔性拱鋼桁梁的實(shí)橋和模型橋的有限元模型，利用模態(tài)分析理論進(jìn)行了有限元的動(dòng)力特性分析，通過(guò)理論、仿真和試驗(yàn)結(jié)果的比較，表明實(shí)橋和模型橋各動(dòng)力參數(shù)具有較好的相似換算關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了模態(tài)參數(shù)相似比的正確性。反映了模型橋也能夠比較準(zhǔn)確地模擬實(shí)橋動(dòng)力特性。以試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆驗(yàn)檠芯繉?duì)象，基于MATLAB平臺(tái)編制相應(yīng)的損傷識(shí)別程序，通過(guò)對(duì)九江長(zhǎng)江大橋柔性拱鋼桁梁的縮比模型橋的損傷識(shí)別研究，表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多模態(tài)參數(shù)損傷識(shí)