工程結(jié)構(gòu)損傷預警理論及其應(yīng)用

前言

　　重大工程結(jié)構(gòu)諸如跨江跨海的大跨度橋梁、用于大型體育賽事的大跨空間結(jié)構(gòu)、代表現(xiàn)代城市象征的超高層建筑、開發(fā)江河能源的大型水利工程、用于海洋油氣資源開發(fā)的大型海洋平臺結(jié)構(gòu)以及核電站建筑等，它們的使用期長達幾十年甚至上百年，在環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長期效應(yīng)、疲勞效應(yīng)和突變效應(yīng)等災(zāi)害因素的共同作用下將不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷累積和抗力衰減，從而導致抵抗自然災(zāi)害甚至正常環(huán)境作用的能力下降，而且有的構(gòu)件損傷可能擴展很快，極端情況下易引發(fā)災(zāi)難性的突發(fā)事故。因此，為了保障結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，已建的重大工程結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施急需采用有效的技術(shù)手段監(jiān)測和評定其安全狀況，并及時修復和控制結(jié)構(gòu)損傷；對新建的大型結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)總結(jié)以往的經(jīng)驗和教訓，在工程建設(shè)的同時安裝長期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，同時為研究結(jié)構(gòu)服役期間的損傷演化規(guī)律提供有效和直接的試驗平臺。因此，重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)土木工程領(lǐng)域的前沿研究方向。如何根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和信號反演出工程結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況，識別出可能的結(jié)構(gòu)損傷部位及其損傷程度，并在此基礎(chǔ)上對工程結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)評估，是重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)研究的最主要問題。　　本書包括緒論和1～8章，較系統(tǒng)地闡述了工程結(jié)構(gòu)損傷預警的理論、方法和應(yīng)用。緒論較全面地綜述了本書相關(guān)研究與應(yīng)用的進展和發(fā)展趨勢。1～8章分為上、下兩篇。　　上篇（第1～5章）詳細論述了工程結(jié)構(gòu)損傷預警的基本理論和方法。第1章介紹了小波變換的基本理論，對連續(xù)小波變換、離散小波變換、多分辨率分析和小波包分析進行了詳細論述。第2章介紹了基于小波變換的結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析理論，詳細論述了基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析方法。第3章論述了基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預警方法，詳細介紹了結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的小波包分析步驟和損傷預警指標的計算方法。第4章詳細介紹了ASCE Benchmark結(jié)構(gòu)損傷預警的研究結(jié)果。第5章論述了環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)損傷預警方法，詳細介紹了如何將環(huán)境振動測試和小波包能量譜相結(jié)合開展工程結(jié)構(gòu)的實時損傷預警?！　∠缕?～8章）詳細論述了潤揚大橋斜拉橋損傷預警的方法實現(xiàn)與工程應(yīng)用。第6章詳細介紹了基于模態(tài)參數(shù)和小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷指標應(yīng)用于潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警的可行性與有效性。

內(nèi)容概要

　　《工程結(jié)構(gòu)損傷預警理論及其應(yīng)用》較系統(tǒng)地闡述了工程結(jié)構(gòu)損傷預警的理論、方法和應(yīng)用。上篇(第1～5章)詳細論述了工程結(jié)構(gòu)損傷預警的基本理論和方法，主要內(nèi)容包括：基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析原理；基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預警方法；ASCE Benchmark結(jié)構(gòu)損傷預警研究；環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)損傷預警方法。下篇(第6～8章)詳細論述了潤揚大橋斜拉橋損傷預警的方法實現(xiàn)與工程應(yīng)用，主要內(nèi)容包括：潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警策略與方案；環(huán)境激勵下的潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警方法；潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?！　　豆こ探Y(jié)構(gòu)損傷預警理論及其應(yīng)用》可供從事土木工程和工程力學研究、設(shè)計和管理的廣大科技人員參考，可作為土木工程和工程力學專業(yè)研究生和高年級本科生的學習參考書，還可供鐵道、水利、機械、航空、航天等相關(guān)專業(yè)人員參考。

書籍目錄

前言緒論0.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究與應(yīng)用0.2 結(jié)構(gòu)損傷診斷的研究與應(yīng)用0.2.1 結(jié)構(gòu)損傷診斷概述0.2.2 結(jié)構(gòu)損傷診斷的動力指紋類方法0.2.3 結(jié)構(gòu)損傷診斷的小波變換類方法0.3 本書的目的和主要內(nèi)容參考文獻上篇 工程結(jié)構(gòu)損傷預警理論與方法第1章 小波變換的基本原理1.1 概述1.2 小波變換1.2.1 連續(xù)小波變換1.2.2 離散柵格下的小波變換1.3 多分辨率分析1.3.1 多分辨率分析的思想1.3.2 多分辨率分析的定義與性質(zhì)1.3.3 Mallat算法1.4 小波包分析1.4.1 小波包分析的思想1.4.2 小波包分析的定義與性質(zhì)參考文獻第2章 基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析原理2.1 概述2.2 信號的多尺度表示2.3 結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的多尺度損傷分析2.3.1 結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)描述2.3.2 結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的多尺度描述2.3.3 結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的多尺度損傷分析2.4 基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)多尺度損傷分析2.4.1 結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的小波包能量譜2.4.2 數(shù)值算例2.5 小結(jié)參考文獻第3章 基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預警方法3.1 概述3.2 結(jié)構(gòu)損傷預警的小波包能量譜3.2.1 引言3.2.2 小波函數(shù)的選擇3.2.3 小波包分解層次的選擇3.3 基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預警方法3.3.1 結(jié)構(gòu)損傷特征向量3.3.2 結(jié)構(gòu)損傷預警指標3.4 小結(jié)參考文獻第4章 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)損傷預警研究4.1 概述4.2 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)試驗概況4.2.1 問題的提出4.2.2 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)概況4.2.3 試驗內(nèi)容4.3 試驗結(jié)果與分析4.3.1 試驗結(jié)果4.3.2 試驗分析4.3.3 討論4.4 小結(jié)參考文獻第5章 環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)損傷預警方法5.1 概述5.2 環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)損傷預警方法5.2.1 結(jié)構(gòu)損傷預警方法5.2.2 數(shù)值算例5.2.3 試驗驗證5.3 小結(jié)參考文獻下篇 潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警的方法實現(xiàn)與應(yīng)用第6章 潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警策略與方案6.1 概述6.2 潤揚大橋斜拉橋的基準有限元模型6.2.1 引言6.2.2 潤揚大橋斜拉橋概況6.2.3 基準有限元模型的建立與修正6.2.4 有限元模型驗證6.2.5 結(jié)語6.3 基于模態(tài)參數(shù)的潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警分析6.3.1 引言6.3.2 固有頻率指標6.3.3 模態(tài)曲率指標6.3.4 模態(tài)應(yīng)變能指標6.3.5 模態(tài)柔度指標6.3.6 斜拉索索力指標6.3.7 結(jié)語6.4 基于小波包能量譜的潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警分析6.4.1 引言6.4.2 損傷敏感性分析6.4.3 噪聲魯棒性分析6.4.4 結(jié)語6.5 小結(jié)參考文獻第7章 潤揚大橋斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的損傷預警分析7.1 概述7.2 潤揚大橋斜拉橋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的損傷預警分析7.2.1 實測動力響應(yīng)7.2.2 實測動力響應(yīng)的模態(tài)頻率分析7.2.3 實測動力響應(yīng)的小波包能量譜分析7.3 小結(jié)參考文獻第8章 潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)8.1 概述8.2 潤揚大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)概況8.2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成及功能8.2.2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)子系統(tǒng)簡介8.3 潤揚大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)8.3.1 結(jié)構(gòu)損傷預警系統(tǒng)的總體設(shè)計8.3.2 損傷預警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)8.3.3 損傷預警系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計與實現(xiàn)8.4 小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　小波變換對于輸入的要求是非常寬泛的，將前面提到的時域信號的時間軸換成表示空間位置的空間坐標軸，也就是以空間域響應(yīng)作為輸入進行小波變換，也可以達到損傷診斷的效果。基于時域響應(yīng)的分析方法旨在發(fā)現(xiàn)損傷發(fā)生的時刻，而基于空間域響應(yīng)的分析方法根據(jù)小波分解后得到的圖形的奇異點來確定發(fā)生損傷的位置。　　Liew和Wang首先將基于空間域響應(yīng)的分析方法用于含有裂縫的結(jié)構(gòu)的損傷定位。他們在含有橫向邊緣裂縫的簡支梁上沿梁長度方向施加快速移動荷載，同時采集沿梁高度方向的位移響應(yīng)，然后將其做小波變換，從得到的圖形上可以明顯看出在裂縫位置附近有奇異點。Wang和Deng、以及Wang等分別在含有橫向裂縫的梁和含有沿厚度方向裂縫的板上采用數(shù)值模擬的方法驗證了這種方法的可行性。結(jié)果顯示，裂縫導致結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)特性發(fā)生變化，經(jīng)小波變換后這種變化會被放大。他們還研究了沿結(jié)構(gòu)布置的空間位置采集點個數(shù)變化（從1024到62個點）對結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)測點少于15個時無法實現(xiàn)損傷定位。Hong等把模態(tài)振型進行連續(xù)小波變換，然后利用Lipschitz指數(shù)來判斷損傷發(fā)生的位置。Lipschitz指數(shù)通常被用來表征函數(shù)的區(qū)域規(guī)則性，而損傷會導致連續(xù)小波變換得到的系數(shù)最大值在靠近損傷位置處發(fā)生突變。結(jié)果顯示，Lipschitz指數(shù)不僅能夠準確定位損傷的位置，而且能夠評價損傷的程度，對一個帶損傷的梁的實驗?zāi)B(tài)分析也驗證了這一點。　　采用基于空間域響應(yīng)的小波變換方法進行損傷定位，有一個關(guān)鍵問題必須考慮：響應(yīng)采集點的個數(shù)。響應(yīng)采集點太少，就不能使得到的空間域響應(yīng)連成光滑曲線，也就無法通過小波變換之后得到的圖形的奇異點來確定損傷位置。對于大型復雜土木工程結(jié)構(gòu)來說，布置大量位移測點長時間在線監(jiān)測不僅將增大運營成本，而且有時因為結(jié)構(gòu)尺度的限制無法實現(xiàn)?！　【C上所述，從目前己有的研究成果看，利用小波變換進行結(jié)構(gòu)損傷診斷主要是識別損傷的存在和損傷位置，并且大多數(shù)研究僅限于彈簧模型、梁和板等簡單結(jié)構(gòu)形式。另一方面，大多數(shù)文獻都偏重介紹損傷信號的小波變換結(jié)果，而缺乏理論上的有力支持，真正實現(xiàn)理論性地研究小波變換與結(jié)構(gòu)損傷之間關(guān)系的文獻極少。這實際上反映出小波變換方法的活力，它正等待人們不斷地認識和研究；同時也反映了對小波變換不能只進行簡單的數(shù)據(jù)分析，要重點揭示其應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，加強分析其工程意義，并和大型工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷實踐相結(jié)合。

編輯推薦

　　《工程結(jié)構(gòu)損傷預警理論及其應(yīng)用》包括緒論和1～8章，較系統(tǒng)地闡述了工程結(jié)構(gòu)損傷預警的理論、方法和應(yīng)用。緒論較全面地綜述了《工程結(jié)構(gòu)損傷預警理論及其應(yīng)用》相關(guān)研究與應(yīng)用的進展和發(fā)展趨勢。1～8章分為上、下兩篇。

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