小波分析在橋梁健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究.pdf

1、橋梁健康監(jiān)測是現(xiàn)代傳感技術(shù)、通信技術(shù)和評價體系的結(jié)合，其可以實時在線監(jiān)測橋梁運營過程中結(jié)構(gòu)在環(huán)境和荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，由獲得的各種監(jiān)測指標信息來分析橋梁的健康狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時及時預警，為橋梁的管理與養(yǎng)護維修提供科學依據(jù)。針對在橋梁健康監(jiān)測損傷和預警中可能存在和面臨的問題，本文以小波變換為基本分析手段，將其應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測中，從橋梁結(jié)構(gòu)測試數(shù)據(jù)去噪、模態(tài)參數(shù)識別、損傷識別、警情分析等方面進行了較為系統(tǒng)的研究，研究成果具有一定的

2、工程應(yīng)用價值。
　　由于各種因素影響，橋梁的實際測試數(shù)據(jù)中往往包含了噪聲信息，對結(jié)構(gòu)損傷識別和狀態(tài)評估等帶來較大的影響，從根本上對測試數(shù)據(jù)進行噪聲控制，降低結(jié)構(gòu)分析中由于數(shù)據(jù)受到噪聲干擾而帶來的影響，是一種可行的方法。首先闡述了利用小波模極大值去噪和小波閾值去噪的原理，然后以一簡支梁結(jié)構(gòu)某階模態(tài)振型作為一維信號，在不同的噪聲水平下分別應(yīng)用兩種去噪方法對信號進行了分解重構(gòu)，根據(jù)對信號去噪后的信噪比SNR和均方根誤差RMSE兩個指標信

3、息的分析，說明了兩種方法均能明顯降低模態(tài)振型信號的噪聲強度，通過對比分析，指出小波閾值去噪方法較小波模極大值去噪方法更為簡單高效，是更適合于橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)降噪的方法。
　　探討了應(yīng)用復Morlet小波變換對結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的模態(tài)參數(shù)識別方法，對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)信號進行小波變換，從其小波變換系數(shù)的時間-尺度圖所含的信息，進一步得到其模和相位，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別，并通過對一簡支梁在穩(wěn)態(tài)白噪聲激勵下的數(shù)值模擬分析和某橋?qū)嶋H環(huán)境振動

4、試驗分析，驗證了方法的有效性，結(jié)果還表明在結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)較為密集的時候，提高復Morlet小波分辨率后進行分析能起到良好的模態(tài)解耦效果。
　　基于模式識別的思想，詳細分析并研究了以結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)小波系數(shù)差 diD作為損傷識別指標的可行性、適用性和噪聲魯棒性。對于簡單結(jié)構(gòu)和復雜結(jié)構(gòu)在單一損傷、多損傷模式下進行了不同損傷程度的分析，大量分析結(jié)果指出，隨著損傷程度的增加，構(gòu)建損傷識別指標所需的模態(tài)階數(shù)也逐漸降低；對于邊界處損傷單元，提出以信

5、號擴展的方法對結(jié)構(gòu)曲率模態(tài)進行邊界延拓，使其可以得到完整的邊界處單元損傷識別指標信息；通過對復雜結(jié)構(gòu)多損傷工況的分析，指出由于損傷對于各部位結(jié)構(gòu)特性影響程度不同，采用diD損傷識別指標進行整體識別時易出現(xiàn)誤判和漏判現(xiàn)象，提出了基于 diD損傷識別指標的復雜結(jié)構(gòu)分段識別方法，并通過分析驗證了分段識別可以在很大程度上避免誤判和漏判現(xiàn)象。
　　結(jié)構(gòu)的較高階模態(tài)的測試識別誤差相對較大，對結(jié)構(gòu)弱損傷識別造成一定影響，針對diD指標的應(yīng)用局限

6、性，提出了一種新的可供參考的損傷識別指標，即柔度曲率小波系數(shù)差的損傷識別指標 diC，通過數(shù)值和仿真算例分析指出以 diC作為損傷識別指標，在結(jié)構(gòu)振動頻率相差較大時，僅需要構(gòu)建結(jié)構(gòu)的低階損傷指標，就可以對結(jié)構(gòu)在發(fā)生弱損傷時進行識別；對于復雜結(jié)構(gòu)，需要其振動頻率相近的前幾階模態(tài)來構(gòu)建損傷識別指標；建立了損傷程度與 diC指標的回歸關(guān)系以用來估計損傷程度；同時分析了該指標的噪聲魯棒性。通過對兩種損傷識別指標的分析研究，從損傷程度和結(jié)構(gòu)自身力

7、學特性的角度分析對比了diD損傷指標和diC損傷指標的適用性。
　　根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)的功能和目的，結(jié)合成本——效益分析，設(shè)計并建立了陜西省第一個投入使用的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的組成及特點；深入探討了橋梁健康監(jiān)測的警情分析方法，提出橋梁監(jiān)測警情分析應(yīng)由損傷警情分析和運營狀態(tài)警情分析兩部分組成；建立了橋梁監(jiān)測損傷警情分析模型，并對某特大連續(xù)剛構(gòu)橋進行了信號采集→損傷預警→信號去噪→模態(tài)參數(shù)識別→損傷識別指標選擇→損傷識別

8、六個步驟的全過程研究，驗證了提出的損傷警情分析體系的可行性；建立了橋梁運營狀態(tài)警情分析模型，并根據(jù)其思想運用C++語言編制了某特大連續(xù)剛構(gòu)橋撓度和應(yīng)力預警程序。
　　研究了基于小波變換對反映橋梁狀態(tài)的參數(shù)指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，提出將橋梁某一周期內(nèi)的應(yīng)變、撓度作為一維信號，對信號進行離散小波變換，由小波系數(shù)包含的信息得到了橋梁結(jié)構(gòu)在監(jiān)測周期內(nèi)的總體狀態(tài)趨勢；通過對原信號和其小波系數(shù)的分析，對信號進行了重構(gòu)，結(jié)合時間序列的ARIMA模