橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別綜述
2016-09-18
1、基于模態(tài)分析得橋梁檢測(cè)方法
模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過程稱為模態(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)的固有的、整體的特性。因此，模態(tài)分析是橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和橋梁結(jié)構(gòu)的故障診斷的重要方法，只要研究出了橋梁損傷前和損傷后的模態(tài)之間的區(qū)別便可以知道橋梁損傷，很多研究人員對(duì)模態(tài)分析在橋梁結(jié)構(gòu)損傷中的應(yīng)用做了相當(dāng)大量的和有成效的工作。目前得到廣大研究者普遍認(rèn)同的一種最有前途和有效的方法就是結(jié)合系統(tǒng)識(shí)別、振動(dòng)理論、振動(dòng)測(cè)試技術(shù)、信號(hào)處理、信號(hào)采集與分析等跨學(xué)科技術(shù)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法。
2、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷識(shí)別
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損傷識(shí)別是以結(jié)構(gòu)模擬發(fā)生的損傷訓(xùn)練為樣本集合，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)直接進(jìn)行損傷診斷的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有線性和非線性映射能力，同時(shí)還具備自組織、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法特有的容錯(cuò)能力使得其能代表諸多領(lǐng)域的未知模型系統(tǒng)。在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別系統(tǒng)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的最大優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了環(huán)境振動(dòng)條件下的數(shù)據(jù)信號(hào)處理能力，很好地解決了因環(huán)境噪聲引起的橋梁動(dòng)力參數(shù)損失或誤差大的問題。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行損傷識(shí)別還有很長(zhǎng)的路要走。主要在模型誤差、測(cè)量誤差、測(cè)量數(shù)據(jù)完備、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)、訓(xùn)練所需樣本量等方面做大量工作。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法的主要局限性在于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的獲取，該法的識(shí)別的準(zhǔn)確與否在很大程度上決定于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的完備程度和延續(xù)性。
3、基于小波分析的損傷識(shí)別
小波分析具有多分辨率的特點(diǎn)，不管是在時(shí)域，還是在頻域都有表征信號(hào)局部信息的能力，小波分析作為一種信號(hào)處理方法，在損傷檢測(cè)與診斷中取得了很大的進(jìn)展。時(shí)頻分析方法主要包括小波分析和小波包分析，近年又出現(xiàn)了Hilbert-Huang變換。在國(guó)內(nèi)，科研工作者利用小波奇異性理論對(duì)損傷結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，判斷結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的時(shí)刻，并且給出了結(jié)構(gòu)損傷的分類識(shí)別方法。小波包分析不僅對(duì)低頻部分分解，同時(shí)也可以對(duì)高頻部分進(jìn)行分解，所以小波包分析比多分辨分析更為精細(xì)。小波包變換可以提取由穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)信號(hào)所合成的信號(hào)特征，具有任意的時(shí)一頻分辨率。特別是在獲取到的檢測(cè)型號(hào)出現(xiàn)模糊的波狀圖時(shí)，利用小波或者小波包可以容易的檢測(cè)出信號(hào)中間所包含的橋梁結(jié)構(gòu)損傷信息。有限元數(shù)值分析表明基于小波損傷因子損傷識(shí)別程序?qū)τ谕蛔儞p傷和線性時(shí)變損傷是有效的。
4、基于環(huán)境激勵(lì)的損傷識(shí)別
基于環(huán)境激勵(lì)下的損傷識(shí)別方法主要包括峰值拾取法和頻域分解法等。峰值拾取法就是根據(jù)頻率響應(yīng)函數(shù)在固有頻率附近出現(xiàn)峰值的原理，用隨機(jī)響應(yīng)的功率譜函數(shù)代替頻率響應(yīng)函數(shù)，這種方法具有操作簡(jiǎn)單、識(shí)別速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是它不能識(shí)別密集模態(tài)和阻尼比的結(jié)構(gòu)。頻域分解法是峰值拾取法的延伸，是在白噪聲激勵(lì)下的頻域識(shí)別方法，它的原理是對(duì)響應(yīng)的功率譜進(jìn)行奇異值分解，將功率譜分解為對(duì)應(yīng)多階模態(tài)的一組單自由度系統(tǒng)功率譜。此種方法識(shí)別精度高，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的本身特點(diǎn)，到目前為止只有時(shí)間序列法中的ARMA模型法能夠較好應(yīng)用到結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中。在利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析驗(yàn)證方法可行性的基礎(chǔ)上，提出利用隨機(jī)減量技術(shù)結(jié)合ITD方法、自然激勵(lì)技術(shù)結(jié)合特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法形成兩種時(shí)域聯(lián)合算法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，并分別給出了方法的操作流程。然后通過分別模擬車載、風(fēng)載、地震等激勵(lì)，并建立橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，研究了基于不同環(huán)境激勵(lì)下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別的有效性、適用性、穩(wěn)定性，對(duì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)一的分析。但是在城市環(huán)境噪聲影響較大的情況下這種識(shí)別方法存在不準(zhǔn)確的危險(xiǎn)。
5、基于模糊數(shù)學(xué)法的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別展望
模糊數(shù)學(xué)在社會(huì)科學(xué)中的應(yīng)用很廣泛，已經(jīng)應(yīng)用到社會(huì)科學(xué)的各個(gè)方面，并且取得了很好的效果，能夠幫助人們做出準(zhǔn)確的優(yōu)異的判斷。工程領(lǐng)域中，同樣存在著很多模糊的問題，很多用語(yǔ)言都難以描述清楚，用傳統(tǒng)的經(jīng)典數(shù)學(xué)的方法更加不可能完全準(zhǔn)確的做出模型，計(jì)算出我們想要的結(jié)果，有時(shí)候在工程中我們并不要求有一個(gè)完全精確的解，我們只要能夠掌握這個(gè)工程問題的數(shù)學(xué)模糊解就可以很好的解決問題，這個(gè)時(shí)候模糊數(shù)學(xué)就可以起到非常重要的作用。在模糊數(shù)學(xué)中提出了“隸屬度”的概念，用從0 - 1 來(lái)描述由“肯定”到“否定”的過渡， 這樣，任何一個(gè)不是完全“肯定”但也不是完全“否定”的量都可以用隸屬度來(lái)度量 ，使這些模糊的尺度可用定量的數(shù)學(xué)方法來(lái)描述。
同樣，對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別中模糊數(shù)學(xué)的思想一樣能夠起到作用，在這方面的研究目前來(lái)說還很少。結(jié)構(gòu)損傷的機(jī)制和結(jié)構(gòu)損傷的位置同樣也是難以準(zhǔn)確描述的，對(duì)于不同的環(huán)境作用，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，不同的結(jié)構(gòu)承載情況，就會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)制，不同的結(jié)構(gòu)損傷模式，這種損傷對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)損傷程度、結(jié)構(gòu)的安全、結(jié)構(gòu)損傷后的壽命影響等等方面都是模糊的，用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行描述都是存在局限性的。因此，考慮到模糊數(shù)學(xué)分析提出的分析思想和“隸屬度”的概念，考慮是否可以用這種方法來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別診斷，對(duì)橋梁進(jìn)行有效的檢測(cè)和安全評(píng)估。
結(jié)論
隨著科學(xué)技術(shù)和理論知識(shí)的發(fā)展，橋梁損傷識(shí)別在逐漸向著準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)發(fā)展，讓橋梁管理者和使用著能夠及時(shí)清楚橋梁所處的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷，避免重大事故發(fā)生。目前的所用的損傷識(shí)別方法大多處于理論研究階段，在實(shí)際運(yùn)用中由于白噪聲、測(cè)量誤差等問題的干擾，很難運(yùn)用以精確測(cè)量為基礎(chǔ)的損傷識(shí)別方法做出十分精確的判斷，而基于模糊數(shù)學(xué)的損傷識(shí)別方法能夠做到定性判斷，對(duì)于損傷程度可以清晰的反應(yīng)出來(lái)，讓管理者做出對(duì)于橋梁狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。因此模糊數(shù)學(xué)方法在橋梁損傷識(shí)別方面的運(yùn)用有廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)：
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