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原文传递基于统计模式识别的结构损伤诊断方法与应用研究

论文题名：	基于统计模式识别的结构损伤诊断方法与应用研究
关键词：	结构健康监测;损伤诊断;统计模式识别;时序分析;大跨悬索桥;损伤敏感指标
摘要：	新世纪土木工程学科面临许多重大的科学研究问题。如何分析工程结构的损伤、灾害演化规律，如何监测结构的健康和安全状态，以及如何评估结构的剩余使用寿命，是结构健康监测所要研究解决的问题，也是世界范围内土木工程领域的前沿课题之一。损伤诊断是结构健康监测中从硬件到软件、从事实到判断的关键一环。本文以润扬长江大桥南汉悬索桥为研究对象，围绕火跨悬索桥结构损伤诊断这个主题，遵循“理论研究——试验（数值）研究——应用研究”的步骤，系统地开展了基于统计模式识别的大跨悬索桥结构损伤诊断的理论、方法与应用研究，并将研究成果应用于润扬大桥悬索桥结构健康监测系统。本文的主要工作和成果如下： 1、基于统计模式识别技术提出了一种新的结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序。主要内容是：①将结构损伤诊断在统计模式识别的理论框架下归纳为四个步骤：数据采集与预处理、系统建模、特征提取与统计判别：②运用时序分析方法对监测数据建立系统模型，建立了表征结构状态的模式向量：③对模式向量进行特征提取，实现了模式向量到特征向量的信息凝聚：④对特征向量进行统计判别，提出了一种新的结构损伤敏感指标DSPR；⑤通过假设检验DSPR指标在损伤前后的变化，实现了对结构状态的损伤诊断，建立了本文方法完整的算法程序。 2、对环境激励下Benchmark结构进行分析，为结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序提供试验验证。主要内容是：①选择环境激励下Benchmark结构损伤试验从微小损伤到严重损伤的各种工况进行分析：②考察损伤敏感指标对结构损伤发生的预警能力；③考察损伤敏感指标对结构损伤程度的识别能力。研究结果表明，本文方法对Benchmark结构的健康与损伤状态具有稳定的识别能力，在微小损伤出现时也能有效辨识结构动力响应的异常。同时，该指标对Benchmark结构的损伤程度也具有一定的识别能力，能根据其损伤程度的不同给出相应的报警阈值。 3、对润扬大桥悬索桥基准有限模型进行损伤分析，为结构损伤敏感指标DSPR及其算法程序提供数值试验验证。主要内容是：①完整地阐述了大跨悬索桥基准有限元模型的建模技术，给出了悬索桥结构损伤的数值模拟方法；②从损伤敏感性的角度考察DSPR能否有效识别主缆、吊索、钢箱梁的损伤：③从噪声鲁棒性的角度考察DSPR能否有效识别不同信噪比条件下主缆、吊索、钢箱梁的结构损伤。研究结果表明，本文方法能有效识别频率相对变化2％以下主缆的各种损伤程度，对于吊索、钢箱梁在频率相对变化1％以下的损伤均能做到有效预警。噪声鲁棒性方面，该方法在噪声干扰下对绝大多数损伤工况的识别能力最强可达5dB，具有良好的抗噪声干扰能力。 4、将本文提出的结构损伤敏感指标DSPR及其算法，应用于润扬大桥悬索桥实测动力响应数据，实现了环境激励下悬索桥结构正常运营、突发事件两类典型工况的状态实时监测。主要研究成果是：①正常运营条件下获得的结构振动DSPR曲线，反映了每日温度变化和交通流量的综合影响，DSPR的各项统计值稳定在一定范围之内，可作为日常监测的有效控制阈值；②台风激励前后获得的结构振动DSPR曲线，可有效识别外界强烈激励条件下结构状态的变化，分析DSPR在突发事件后的回复状况，可有效地预估悬索桥的结构完整性：③编制了基于统计模式识别的结构损伤诊断程序，初步实现了悬索桥结构损伤诊断的工程应用。
作者：	刘毅
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	李爱群
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文