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原文传递基于分布式长标距FBG传感技术的结构健康监测系统研究与软件开发

论文题名：	基于分布式长标距FBG传感技术的结构健康监测系统研究与软件开发
关键词：	土木工程结构;健康监测系统;损伤识别;软件开发;分布式长标距应变传感技术
摘要：	近二十年，随着新材料和施工技术的飞速发展，我国在基础设施建设方面取得的成就举世瞩目，在大跨度桥梁、轨道交通、高耸结构等方面表现的尤其突出，然而这些国家生命线工程在材料老化、环境侵蚀效应、运营荷载效应、长期荷载疲劳效应、地震、台风等因素的耦合作用下将不可避免引起结构的损伤积累和抗力衰减，从而导致其安全性能和正常使用功能降低，甚至在未有明显征兆的情况下引发灾难性的突发事故。结构健康监测(Structural healthmonitoring，SHM)的概念及应用为大幅提高土木工程结构的防灾减灾能力提供了可能性，但是现有SHM也面临以下挑战:以加速度传感器为代表的传统测试技术得到的宏观指标和结构性能的弱相关性、海量数据的高效处理问题等。分布式长标距应变传感技术能有效融合结构的整体与局部信息对结构性能进行全部监测且具有良好的动静态测试性能，在SHM领域中具有广阔的应用前景。　　本文在课题组提出的分布式长标距应变传感技术的基础上，从以下几个方面入手:传感器的标准化制作及基本传感性能、长标距应变的预处理、移动荷载下结构性能快速评估方法、混凝土结构动静态损伤识别指标、环境振动下长标距应变模态提取及结构性能评估方法、分布式长标距应变模态和位移模态的相互转换关系、基于分布式长标距应变传感技术的结构有限元模型修正方法、运用LabVIEW平台开发基于分布式长标距传感技术的结构健康监测软件，目的在于形成一整套基于分布式长标距动静态应变传感技术对结构性能全面监测的理论体系和软件开发。本文主要研究内容及创新点: 　　(1)长标距应变传感技术及长标距应变的数据处理方法　　本文研究了玄武岩纤维材料封装的长标距应变传感器的标准化制作方法，在此基础上对长标距传感器的标定、可重复性、动态测试性能进行了相关试验;同时，研究了长标距应变的去噪方法、趋势项提取、动静态信号分离、相关性分析、各阶频率范围内的时域应变分离的可行性;最后，推导了分布式应变计算分布式挠度的一般公式。　　(2)分布式长标距应变模态和位移模态相互转换关系　　本文建立了结构分布式长标距应变模态和位移模态的相互转换关系，即由分布式长标距应变模态可以得出结构分布式位移模态，也可以由位移模态得出结构的分布式长标距应变模态。根据长标距应变模态对损伤敏感、位移模态能反映结构整体性能的特点，本文研究了测试误差影响下长标距应变模态和位移模态相互转换的适用条件。　　(3)移动荷载作用下基于长标距时域应变的结构损伤识别方法　　本文建立了移动荷载下基于长标距应变时程的结构损伤识别方法，利用影响线理论，长标距应变时程面积仅和此标距范围内的损伤情况相关且具有一一对应的关系，同时，研究了移动荷载的轴数、轴重、速度、标距长度、测试误差对此方法的影响，在此基础上，本文建立了实际桥梁测试中的海量数据处理方法，能有效地删除实际测试中的大量冗余数据，只保留和结构性能直接相关的特征数据。　　(4)基于长标距应变模态的混凝土结构损伤识别方法　　本文建立了基于长标距应变模态的混凝土结构动态损伤识别指标，理论推导了标距范围内结构开裂及裂缝发展仅和此标距范围内的应变模态相关且具有一一对应关系的动态损伤识别指标，在此基础上，研究了两种依赖和不依赖参考单元的损伤识别方法，第一种即首先利用应变模态系数法判断参考单元是否发生损伤，进而选择没有发生损伤的单元为参考单元;第二种直接利用结构两种状态下（完好状态和损伤状态）未正则化的应变模态比值进行损伤识别，此方法不需要选择参考单元。同时，验证了基于长标距应变的静态损伤识别指标和动态损伤指标具有结构性能评价的一致性。　　(5)环境激励下长标距应变模态提取方法及结构损伤识别方法　　本文研究了环境激励下应变模态的提取方法及损伤识别方法，利用有限元模拟研究了此方法识别的应变模态和理论应变模态的误差，同时，长标距应变功率谱密度方法能很好地反映结构的损伤，和传统方法（即高阶位移模态对损伤敏感）相比，本文方法只需要结构的第一阶应变模态就能很好地进行损伤识别，在损伤定位基础上，建立了基于应变模态能的结构损伤定量方法，最后研究了桥梁结构的几种典型激励对损伤识别方法的影响。　　(6)基于长标距应变模态的结构模型修正方法　　本文研究了基于长标距应变模态的结构模型修正方法，通过优化算法使结构长标距应变模态和频率组合而成的目标函数最小化，来进行结构的整体参数和局部参数识别，修正后的有限元模型不但能对结构性能进行定量化评估，且能有效预测结构的响应。　　(7)基于分布式长标距应变传感技术的结构健康监测系统软件开发　　本文利用LabVIEW平台初步开发了基于分布式长标距应变传感技术的结构健康监测系统，此系统包含数据导入（数据采集）、模型导入、数据预处理、时域解析、频域解析、数据远程传输模块，此系统软件经过实际测试数据的检验初步验证了其可靠性和稳定性。
作者：	洪万
专业：	结构工程
导师：	吴智深
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文