工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(kāi)發(fā)江河能源的大型水利工程、用于海洋油氣資源開(kāi)發(fā)的大型海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及核電站建筑等，它們的使用期長(zhǎng)達(dá)幾十年甚至上百年，在環(huán)境侵蝕、材料老化和荷載的長(zhǎng)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(dǎo)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(kuò)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(cè)和評(píng)定其安全狀況，并及時(shí)修復(fù)和控制結(jié)構(gòu)損傷；對(duì)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(yàn)和教訓(xùn)，在工程建設(shè)的同時(shí)安裝長(zhǎng)期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的服役安全狀況，同時(shí)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(yàn)平臺(tái)。因此，重大工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和信號(hào)反演出工程結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和健康狀況，識(shí)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(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，是重大工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)研究的最主要問(wèn)題。　　本書(shū)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(yù)警的理論、方法和應(yīng)用。緒論較全面地綜述了本書(shū)相關(guān)研究與應(yīng)用的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。1～8章分為上、下兩篇?！　∩掀ǖ?～5章）詳細(xì)論述了工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(duì)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(jìn)行了詳細(xì)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(xì)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(yù)警方法，詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的小波包分析步驟和損傷預(yù)警指標(biāo)的計(jì)算方法。第4章詳細(xì)介紹了ASCE Benchmark結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的研究結(jié)果。第5章論述了環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法，詳細(xì)介紹了如何將環(huán)境振動(dòng)測(cè)試和小波包能量譜相結(jié)合開(kāi)展工程結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)損傷預(yù)警。　　下篇（6～8章）詳細(xì)論述了潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋損傷預(yù)警的方法實(shí)現(xiàn)與工程應(yīng)用。第6章詳細(xì)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(biāo)應(yīng)用于潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的可行性與有效性。

內(nèi)容概要

　　《工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(yù)警的理論、方法和應(yīng)用。上篇(第1～5章)詳細(xì)論述了工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(yù)警方法；ASCE Benchmark結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警研究；環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法。下篇(第6～8章)詳細(xì)論述了潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋損傷預(yù)警的方法實(shí)現(xiàn)與工程應(yīng)用，主要內(nèi)容包括：潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警策略與方案；環(huán)境激勵(lì)下的潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法；潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。　　《工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警理論及其應(yīng)用》可供從事土木工程和工程力學(xué)研究、設(shè)計(jì)和管理的廣大科技人員參考，可作為土木工程和工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生和高年級(jí)本科生的學(xué)習(xí)參考書(shū)，還可供鐵道、水利、機(jī)械、航空、航天等相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員參考。

書(shū)籍目錄

前言緒論0.1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(dòng)力指紋類(lèi)方法0.2.3 結(jié)構(gòu)損傷診斷的小波變換類(lèi)方法0.3 本書(shū)的目的和主要內(nèi)容參考文獻(xiàn)上篇 工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(xiàn)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(hào)的多尺度表示2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的多尺度損傷分析2.3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)描述2.3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)的多尺度描述2.3.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)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(xiàn)第3章 基于小波包能量譜的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法3.1 概述3.2 結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(yù)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(yù)警指標(biāo)3.4 小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警研究4.1 概述4.2 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)試驗(yàn)概況4.2.1 問(wèn)題的提出4.2.2 ASCEBenchmark結(jié)構(gòu)概況4.2.3 試驗(yàn)內(nèi)容4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果4.3.2 試驗(yàn)分析4.3.3 討論4.4 小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法5.1 概述5.2 環(huán)境激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法5.2.1 結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警方法5.2.2 數(shù)值算例5.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證5.3 小結(jié)參考文獻(xiàn)下篇 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的方法實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用第6章 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警策略與方案6.1 概述6.2 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋的基準(zhǔn)有限元模型6.2.1 引言6.2.2 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋概況6.2.3 基準(zhǔn)有限元模型的建立與修正6.2.4 有限元模型驗(yàn)證6.2.5 結(jié)語(yǔ)6.3 基于模態(tài)參數(shù)的潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警分析6.3.1 引言6.3.2 固有頻率指標(biāo)6.3.3 模態(tài)曲率指標(biāo)6.3.4 模態(tài)應(yīng)變能指標(biāo)6.3.5 模態(tài)柔度指標(biāo)6.3.6 斜拉索索力指標(biāo)6.3.7 結(jié)語(yǔ)6.4 基于小波包能量譜的潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(yǔ)6.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第7章 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的損傷預(yù)警分析7.1 概述7.2 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的損傷預(yù)警分析7.2.1 實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)7.2.2 實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)的模態(tài)頻率分析7.2.3 實(shí)測(cè)動(dòng)力響應(yīng)的小波包能量譜分析7.3 小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8.1 概述8.2 潤(rùn)揚(yáng)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)子系統(tǒng)簡(jiǎn)介8.3 潤(rùn)揚(yáng)大橋斜拉橋結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8.3.1 結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)8.3.2 損傷預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8.3.3 損傷預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)8.4 小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　小波變換對(duì)于輸入的要求是非常寬泛的，將前面提到的時(shí)域信號(hào)的時(shí)間軸換成表示空間位置的空間坐標(biāo)軸，也就是以空間域響應(yīng)作為輸入進(jìn)行小波變換，也可以達(dá)到損傷診斷的效果。基于時(shí)域響應(yīng)的分析方法旨在發(fā)現(xiàn)損傷發(fā)生的時(shí)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(diǎn)來(lái)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?cè)诤袡M向邊緣裂縫的簡(jiǎn)支梁上沿梁長(zhǎng)度方向施加快速移動(dòng)荷載，同時(shí)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(diǎn)。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(yàn)證了這種方法的可行性。結(jié)果顯示，裂縫導(dǎo)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(huì)被放大。他們還研究了沿結(jié)構(gòu)布置的空間位置采集點(diǎn)個(gè)數(shù)變化（從1024到62個(gè)點(diǎn)）對(duì)結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)少于15個(gè)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)損傷定位。Hong等把模態(tài)振型進(jìn)行連續(xù)小波變換，然后利用Lipschitz指數(shù)來(lái)判斷損傷發(fā)生的位置。Lipschitz指數(shù)通常被用來(lái)表征函數(shù)的區(qū)域規(guī)則性，而損傷會(huì)導(dǎo)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(zhǔn)確定位損傷的位置，而且能夠評(píng)價(jià)損傷的程度，對(duì)一個(gè)帶損傷的梁的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析也驗(yàn)證了這一點(diǎn)?！　〔捎没诳臻g域響應(yīng)的小波變換方法進(jìn)行損傷定位，有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題必須考慮：響應(yīng)采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)。響應(yīng)采集點(diǎn)太少，就不能使得到的空間域響應(yīng)連成光滑曲線，也就無(wú)法通過(guò)小波變換之后得到的圖形的奇異點(diǎn)來(lái)確定損傷位置。對(duì)于大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，布置大量位移測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)不僅將增大運(yùn)營(yíng)成本，而且有時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)尺度的限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)?！　【C上所述，從目前己有的研究成果看，利用小波變換進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷主要是識(shí)別損傷的存在和損傷位置，并且大多數(shù)研究?jī)H限于彈簧模型、梁和板等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形式。另一方面，大多數(shù)文獻(xiàn)都偏重介紹損傷信號(hào)的小波變換結(jié)果，而缺乏理論上的有力支持，真正實(shí)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(xiàn)極少。這實(shí)際上反映出小波變換方法的活力，它正等待人們不斷地認(rèn)識(shí)和研究；同時(shí)也反映了對(duì)小波變換不能只進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，要重點(diǎn)揭示其應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，加強(qiáng)分析其工程意義，并和大型工程結(jié)構(gòu)的損傷診斷實(shí)踐相結(jié)合。

編輯推薦

　　《工程結(jié)構(gòu)損傷預(yù)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(yù)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(yù)警理論及其應(yīng)用》相關(guān)研究與應(yīng)用的進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。1～8章分為上、下兩篇。

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