未知顶点输入下的框架结构物理参数识别及地震反演研究

对同时作用有未知顶点集中荷载和未知地震荷载的框架结构的物理参数识别及荷载反演进行了研究。根据地震荷载在框架任意层上的作用都是时域相关的特点,并结合"消去法"和"统计平均法"对结构的物理参数识别的同时,反演出未知顶点集中荷载和地震荷载时程。通过具体工程算例验证该算法的有效性和可靠性;并对有噪声情况下识别进行探讨。从而为结构损伤识别提供有效的方法。     

基于小波包和传递比函数的桥梁结构在未知地震作用下的损伤识别

基于结构动力响应进行损伤识别是目前结构健康监测常用的方法.结构动力响应同时包含了结构自身和外激励的信息,而实际工程中的外激励往往难以准确获得,特别是地震作用.因此,仅利用未知地震作用下的结构动力响应进行桥梁结构损伤识别是一项富有挑战性的工作.提出了一种仅基于结构振动响应的数据驱动方法,将小波包能量和传递比函数相结合构建...     

古建筑木结构地震损伤分析及抗侧刚度识别

为研究地震作用下古建筑木结构层间抗侧能力损伤和识别,根据缩尺比为1∶3.52殿堂式古建筑木结构振动台试验,分析不同地震损伤下模型层间等效抗侧刚度、侧移响应及侧移对刚度损伤的敏感性.在考虑柱脚滑移的结构简化力学模型基础上,推导模型的状态方程和观测方程.考虑试验环境噪声干扰,利用奇异值分解偏最小二乘(PLS-SVD)和扩展卡尔曼滤波(EKF)方法定量识别模型等效抗侧刚度.结果表明,随着地震损伤增加,结构层间等效抗侧刚度比减小、侧移峰值对柱架层结构损伤较乳层敏感.无损工况下结构等效抗侧刚度识别误差在10%左右;损伤工况下结构等效抗侧刚度识别误差为15%～20%.通过明代古建筑木结构西安钟楼等效抗侧刚度在线识别,验证了PLS-SVD和EKF方法可为古建筑木结构等效抗侧能力监测和震前抗倒塌预警提供理论依据.     

基于部分观测剪切框架结构绝对响应量的地震激励的广义识别方法

地震激励和结构状态的准确信息是进行结构地震安全性评价和振动控制的前提.当不测量结构的地震激励时,地震激励的识别可作为逆问题,依据测量的结构响应来判断地震激励.尽管已经发展了一些相关的识别方法,但现有方法仍存在一定的局限性或缺陷.为了避免这些问题,该文提出了一种基于未知输入的广义卡尔曼滤波(GKF-UI)多层剪切框架的地震激励的广义识别算法.当不测量结构受到的地震作用时,结构健康监测(SHM)系统测量的数据是结构的绝对响应,因此,结构运动方程的推导建立在绝对坐标系下,其中未知地震激励作为未知外力作用于结构上.该算法可在不观测未知外力作用处的结构绝对加速度响应的情况下,识别结构状态和未知地震激励.提出的GKF-UI的推导基于经典卡尔曼滤波器(KF),但在结构加速度传感器的部署中,它比现有的基于未知输入的卡尔曼滤波器(KF-UI)的荷载辨识方法更具有普遍适用性.通过数值算例中一个6层剪切框架的地震激励识别,验证了该算法的有效性.     

未知外部荷载下结构的在线损伤诊断

结构在线损伤诊断是目前土木工程界关注的热点问题之一.针对该问题进行研究,根据部分观测的结构加速度响应信号,基于扩展卡尔曼预测和优化函数对结构进行在线的物理参数识别及结构刚度突变的追踪,同时利用最小二乘识别未知外部荷载.数值算例表明,本文提出的算法能够较准确地识别系统参数和未知外部荷载,并且判断结构刚度损伤发生的时刻、位置和程度,且具有一定的抗噪性.     

剪切框架在未知地震作用下的识别方法及试验验证

针对框架结构的绝对加速度响应部分观测、地震作用未观测的情况,提出一种多层剪切框架结构诊断的方法.该方法先依次采用扩展卡尔曼估计和递推最小二乘法对1层以上结构的扩展状态向量和未知作用力进行递推;然后利用结构频率特征方程,对第1层的结构参数进行估计;最后基于数值求解一阶微分方程,识别未观测的地震作用.通过1个4层框架试验,表明该方法能够很好地识别出结构参数和地震输入.     

基于卷积神经网络的荷载大小与位置同步识别

结构健康监测和状态评估中现有大多数研究均需要精确的荷载作用位置或详细的荷载时程,为了同时获得荷载大小和位置,构建并训练了同时具备分类和回归能力的两分支卷积神经网络,建立了融合分类问题和回归问题的损失函数,提取结构响应与荷载大小、结构响应与荷载位置间的映射关系.通过数值简支梁算例和三层试验框架验证了该方法识别结构荷载大小和位置的精度.结果表明：噪声条件下数值模型的荷载识别误差在8%以内,荷载位置识别准确率在95%以上;实际结构的荷载识别误差在18%以内,荷载位置识别准确率为100%.两分支卷积神经网络可以很好地同时识别荷载大小和位置.     

考虑结构质量未知的非链式结构系统识别方法

目前已发展了许多基于结构振动响应进行结构系统识别的方法,但这些方法大都假定结构质量已知.虽然有部分学者研究涉及到质量未知的结构系统识别,但提出的方法还需要观测结构全部响应,尤其大多数为链式结构识别,对非链式结构研究很少.本文针对这些不足,研究考虑结构质量未知的非链式结构系统的识别,提出基于扩展卡尔曼滤波(EKF)方法,仅需要观测梁结构部分加速度响应,可同时识别结构的位移速度响应状态与未知的结构质量、刚度、阻尼参数.进一步推广了外激励未知情况下的扩展卡尔曼滤波(EKF-UI)方法,融合观测的结构部分加速度与应变响应,同时识别结构的位移速度响应状态与未知的结构质量、刚度和阻尼参数.并分别采用简支梁在已知和未知外激励下结构系统的识别算例,验证提出的两种方法的有效性.     

基于损伤可识别性的传感器优化布置方法

为了满足结构健康监测和损伤识别的要求,提出了一种以损伤可识别性与模态可观测性相协调为目标的传感器优化布置方法.考虑损伤导致的结构响应变化,由结构运动方程推导出了结构响应与振型和损伤灵敏度之间的解析关系式.根据Fisher信息熵原理,建立了同时包含模态独立性信息和损伤灵敏度信息的目标函数.利用奇异值分解技术,发展了以Fisher信息矩阵最大和条件数最小为准则的迭代算法.算例分析表明,所提方法有效地克服了基于模态可观测性和基于损伤可识别性的传感器优化布置结果存在的差异,利用其优化结果进行的损伤识别比单一目标的结果具有更高的精度.     

大型风力机塔架地震动态响应分析与减振控制研究

本文应用ABAQUS有限元软件建立高度为73 m的风力机简化实体有限元模型,研究风力机塔架结构在不同地震荷载作用下的振动响应,并应用调谐质量阻尼减振技术对其振动进行控制.分析结果表明:风力机塔架结构在地震荷载作用下的动态响应具有随机性,塔架顶部最大动态响应多是发生在地震荷载作用的前期与中期,调谐质量阻尼减振技术应用于风力机塔架对地震荷载作用的振动有较好的控制效果.     

考虑支座失效的基础隔震结构振动台试验研究

为研究隔震结构在多向动力耦合激励下的动力响应和荷载传递路径,进行了一个缩尺比例为1∶4的三层平面不规则RC隔震框架结构振动台试验. 通过研究结构的加速度响应、位移响应、隔震支座内力响应、损伤跨梁混凝土和钢筋应变等,揭示了多向动力耦合激励下的抗倒塌性能. 进一步利用OpenSees有限元软件,分析了损伤跨梁内力和支座损伤指数分布规律. 研究结果表明：在双向水平地震和单个隔震支座突然失效引起的竖向不平衡荷载耦合激励下,失效点位置处结构的竖向动力响应显著增大,并发生明显的竖向变形;支座瞬时失效产生的动力效应对各支座内力均有影响,特别是对相邻支座的内力影响更加明显;支座瞬时失效产生的竖向不平衡荷载由空腹效应和梁端弯矩共同抵抗;支座瞬时失效对相邻支座损伤指数影响最大;在多向动力耦合激励下失效区域的动力响应比仅考虑竖向不平衡荷载下更显著,隔震层损伤指数分布相比地震单独作用下更加离散.     

静荷载力作用下悬臂梁裂缝识别的小波方法

利用小波分析技术对梁结构的裂缝进行识别,采用gaus2小波对静荷载力作用下梁的挠度响应进行连续小波变换,根据小波系数模极大值位置识别裂缝位置,利用Lipschitz指数识别裂缝损伤程度.仿真实例不仅证明了方法的有效性,还着重研究了裂缝数量和位置、静荷载力大小和作用位置对Lipschitz指数的影响.     

压电智能材料在悬臂梁结构振动控制中的应用

研究压电材料在柔性悬臂梁结构振动控制中的应用,采用压电有限元方法对压电智能梁的响应进行了数值模拟,在考虑压电片与悬臂梁之间相互耦合作用的基础上,通过有限元软件ABAQUS数值模拟获得压电智能梁在简谐荷载下的响应,并与有关试验结果进行对比来修正压电应变常数及介电常数等参数.通过数值算例对地震荷载作用下压电梁的振动响应进行了数值模拟,结果表明,压电材料对柔性结构的振动控制效果显著,最大控制效率能达到45%左右.     

地震作用下重力坝非线性振型响应的耦合性分析

以结构初始弹性振型为基向量,将地震荷载向量展开为振型荷载的组合。以Koyna重力坝为例,采用混凝土损伤塑性模型和非线性时程分析法,计算各振型荷载引起的大坝非线性响应。取地震加速度峰值为0.5g,给出了Koyna、El Centro实测地震波和1种人工地震波作用下大坝前5阶振型荷载引起的坝顶位移响应。结果表明,非线性情况下,坝顶位移响应依然由与荷载分布相同的振型分量主导,重力坝振型响应具有弱耦合性。     

基于应变信号时频分析与 CNN网络的车辆荷载识别方法

针对现有神经网络车辆荷载识别方法的识别精度不足且训练样本采集困难的问题,提出了一种基于应变信号时频分析与CNN网络的车辆荷载识别方法,对移动车辆总重进行荷载识别.首先,利用连续小波时频变换方法处理桥梁跨中应变信号,得到应变信号的时频特征,并利用双线性插值算法将时频信号矩阵变为大小为64×64的数值矩阵,作为CNN网络的输入数据;其次,利用CNN网络的回归学习算法,在训练少量数值矩阵后直接建立应变响应与车辆荷载的映射关系,从而实现对未知车辆荷载的识别;最后,通过模拟试验发现虽然在不同路面粗糙度和噪声影响下,CNN网络的荷载识别结果会受到不同程度的影响,但在一定范围内的路面粗糙度和噪声影响下仍然能较精确地识别车辆荷载.     

基于时间元模型的复杂桥梁结构移动荷载识别

为研究桥梁结构在移动车辆荷载反复作用下的疲劳损伤机理，利用有限元法建立复杂桥梁结构模型，同时为提高计算精度，承载主梁单元形函数采用5次Hermitian插值函数，并得到桥梁的离散振型与模态参数；利用归一化的第1类Chebyshev正交多项式作为响应和荷载的时间有限元形函数，基于加权残值法建立了移动荷载识别的时间元模型；为解决荷载识别的不适定性，利用截断奇异值分解的正则化方法由应变和位移响应得到移动荷载的稳定解．数值分析结果表明，该方法能有效地识别复杂结构的移动荷载，识别精度高，抗干扰能力强．     

基于LSTM网络的车辆动态荷载识别方法

为了识别车辆的动态荷载,提出了一种基于长短时记忆网络的方法.该方法以桥梁加速度响应为输入,采用有限的数据集,实现车辆动态荷载的识别.建立了车桥耦合模型进行验证,以60组桥梁加速度响应为输入,以相应的车辆动态荷载为输出,通过训练长短时记忆网络来反演车辆动态荷载,并讨论了环境噪声及路面粗糙度对识别效果的影响.结果表明：测试集的车辆动态荷载识别误差平均值均小于5%;车辆动态荷载识别误差不随噪声水平变化,且平均误差小于5%;车辆动态荷载识别误差随着路面粗糙度等级的增加呈现略微增加的趋势,平均误差小于5%.在不同噪声及粗糙度水平下,长短时记忆网络均可用于车辆动态荷载的识别.     

一种基于卷积神经网络的结构损伤检测方法

针对结构健康监测系统产生的海量数据难以高效分析的问题,采用了一种基于二维卷积神经网络的损伤识别检测方法,该方法直接将结构在外界激励作用下的加速度时程数据作为输入信息,通过卷积神经网络自动提取加速度数据中的隐含特征,识别结构的损伤.以板的损伤识别为例,给出了卷积神经网络损伤识别模型的输入数据格式、网络结构和训练方法,分析了卷积神经网络分别在不含噪声,含噪声5%、10%以及混合噪声情况下的损伤识别能力.测试结果显示这种基于加速度输入的卷积神经网络具有较高的损伤识别精度和抗噪能力,从而为结构健康监测系统数据分析和损伤识别提供了一种新的途径.     

基于正交异性桥面板应力监测数据的车辆荷载识别

研究了基于正交异性桥面板应力监测数据的车辆荷载识别技术。通过在正交异性桥面板顶板U肋下缘布设应变计,采集车辆通过时的应力响应。首先利用同一U肋不同截面测点应力响应间的互相关函数来估计车速,针对车辆作用下同一截面下不同测点的应力响应面积的变化,提出了余弦相似度这一指标实现车辆横向定位,最后通过比较实测应力响应面积与标定荷载作用下响应面积来实现未知车辆荷载的识别。通过数值模拟验证了算法的有效性和抗噪性。最后设计了一个模型试验进一步验证了提出的理论。数值和试验结果表明,提出的算法可以有效识别车辆荷载,算法具有较好的抗噪性能,提出的标定间距可以为工程结构提供具有实操性的指导。     

部分输入未知条件下的桥墩物理参数识别及波浪力反演

基于全量补偿复合反演算法,对孤立墩柱在波浪力部分输入信息未知条件下,分别对无噪声和有噪声干扰的情况进行桥梁墩柱结构的物理参数识别及波浪时程反演研究。算例数值分析表明,结构物理参数识别结果满足精度要求,对墩柱在部分未知输入信息下的参数识别的反演方法是可行的。从而为跨江、跨海墩柱受波浪力作用下的结构物理参数识别研究提供了一种新的方法,供工程应用参考。