基于移动荷载作用下结构响应及小波分析的桥梁损伤诊断研究

【摘要】本文是基于国家重点基础研究发展计划973项目(项目编号：2013CB036203)和国家自然科学基金项目《基于车桥耦合振动分析的桥梁损伤诊断方法研究》(项目编号：51078029)的研究成果之一。桥梁结构在服役中会出现损伤病害从而影响其使用寿命和行车安全,这就使得研究损伤桥梁的动力特性以及对桥梁结构及时进行损伤诊断尤为必要。在传统的各种基于振动理论的无损检测技术中,存在着各种缺陷,如较难获得精准的测试数据,或是需要暂时中断交通等。如何对桥梁结构进行快速有效的损伤识别成为目前工程界关注的课题之一。本文研究了损伤桥梁的动力特性,用基于小波分析的方法识别出结构损伤,并进行了试验验证,主要研究内容和创新成果如下：(1)在比较了几种常用的损伤模型的基础上,以扭转弹簧模型模拟桥梁的裂缝损伤,用结构动力学运动方程对裂缝桥梁进行模态分析,研究了损伤桥梁的模态特性,如自振频率、振型等。理论推导了裂缝损伤梁在移动力和移动质量作用下的动力响应,通过数值算例,研究了在不同荷载大小和荷载速度等因素下损伤梁的动力特性。推导了移动质量和轮对-簧上质量两种模型下简支梁有载频率的数值求解方法。(2)在介绍了小波理论的基础上,探讨了基于结构模态和连续小波变换的桥梁损伤识别方法。以损伤结构的位移模态为输入,对其进行连续小波变换,用小波系数灰度图和小波系数模极大值轨迹图识别出损伤位置,并利用可以评价信号奇异性特征的Lipschitz指数来评价损伤程度。考察了不同损伤程度、多损伤位置的识别、不同模态阶数、稀疏布置测点以及噪声的影响,比较了Euler梁和Timoshenko梁的损伤识别结果的异同。(3)用位移互等定理和影响线理论证明了移动荷载作用下结构的位移时程在荷载通过损伤位置时存在奇异性。提出了基于移动荷载作用下结构响应的损伤识别方法。以移动荷载通过桥梁时梁上某一测点的位移响应时程为输入,对其进行连续小波变换,通过小波系数灰度图和小波系数模极大值轨迹图识别损伤的位置,并用Lipschitz指数评价损伤程度。通过数值算例研究了该损伤识别方法的有效性,考察了不同程度损伤、多位置损伤下的损伤识别,研究了不同测点位置、荷载速度以及荷载大小等因素对识别结果的影响。此外,用一个模型试验对该损伤识别方法进行验证,试验结果表明该方法具有很好的实用性。(4)将曲率模态差法应用到识别空间结构的损伤中,提出了基于曲率模态差的系杆拱桥吊杆损伤识别方法。考察两个吊杆面内各个吊杆与拱桥主梁结合点,对其正对称和反对称竖向弯曲的曲率模态差进行分析,通过综合比对,识别出损伤吊杆,并考虑了一定程度噪声的影响。(5)以曲率的概念和小波分析理论为基础,提出了小波包能量曲率差的损伤定位指标。以桥梁损伤前后各个节点在冲击振动下的加速度响应为输入,对其进行小波包分解,构造出小波包能量曲率差来进行损伤定位并研究了稀疏测点布置的影响。此外,利用一个实际的简支梁进行了试验验证,考察了小波函数和小波分解层数对损伤识别结果的影响。
【作者】余竹；
【导师】夏禾；
【作者基本信息】北京交通大学，桥梁与隧道工程，2014，博士
【关键词】桥梁损伤识别；小波分析；移动荷载；LipschitZ指数；模型试验；曲率模态差；小波包能量曲率差；

【参考文献】
[1]杨惠敏,王根轩.干旱和CO_2浓度升高对干旱区春小麦气孔密度及分布的影响[J].植物生态学报,2001,03:312-316.
[2]王永堂.儿童遗传性多发性骨软骨瘤软骨帽的超微结构观察[D].郑州大学,外科学,2013,硕士.
[3]卢方.山东省即墨市第二次土地调查（农村部分）数据库建设[D].南京农业大学,公共管理,2013,硕士.
[4]杨伟刚.结晶器冷却板用Al-Mg-Si-B铝合金制备及其微弧氧化研究[D].西安建筑科技大学,材料加工工程,2013,硕士.
[5]陈水英.基于原型理论的英语名词可数性的研究[D].湖南科技大学,英语语言文学,2013,硕士.
[6]刘建楠.乙炔氢氯化制氯乙烯无汞催化剂的研究[D].浙江大学,化学工程,2013,硕士.
[7]侯学煜,孙世洲.从植物生理生态学角度论广西南部水稻黄叶病的发生原因和防治措施[J].植物生态学报,1966,00:89-104.
[8]吴习宇,余建桥,董辉,秦建.基于粗糙集理论的农业决策支持系统知识发现的研究[J].西南农业大学学报(社会科学版),2005,02:59-61.
[9]张建.营运车辆驾驶人职业适宜性评价指标筛选[D].长安大学,交通运输规划与管理,2014,硕士.
[10]卢飞霞,梁艳,任立娣.大学生原创文化工作面临的困境及对策研究——以浙江大学学生原创文化为例[J].山东青年政治学院学报,2015,01:59-62.
[11]李敏,李春平.频繁模式挖掘算法分析和比较[J].计算机应用,2005,S1:166-171.
[12]赵寰宇.国家形象之国际政治营销学分析[D].上海外国语大学,外交学,2013,硕士.
[13]李俊领,解学军.离散时间直接型模型参考自适应控制(英文)[J].自动化学报,2007,10:1048-1052.
[14]吕军.面向重构的影响分析及其应用[D].南京大学,计算机软件与理论,2013,硕士.
[15]许璇.外国留学生有标记的并列复句偏误分析[D].吉林大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[16]黄灿辉.警报素IL-33介导狼疮肾炎炎症损伤的研究[D].广州医科大学,内科学,2014,硕士.
[17]侯轶轩.分体结构均速管流量传感器的数值仿真与实验研究[D].天津大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[18]闫文华,陈宗翠,马喜梅,张春莲.煤层气地震解释技术应用及效果——以沁水盆地郑庄区块三维为例[J].石油地球物理勘探,2012,S1:66-71+166-167+162.
[19]何东.《光学与光电子学：我国（美国）必要的技术》翻译项目报告[D].华中科技大学,翻译,2013,硕士.
[20]孙小雪.长春市全民健身路径冬季使用状况调查分析[D].吉林大学,体育（专业学位）,2013,硕士.
[21]何达倩.女权主义视角中的广告文体[D].华中师范大学,英语语言文学,2003,硕士.
[22]陈永刚.宝钢条钢加热炉燃烧模型计算机控制系统[J].冶金自动化,2010,05:41-43+60.
[23]刘明祥,周炳海.基于时间约束集的集束型设备群调度方法[J].自动化学报,2012,03:479-485.
[24]徐琳陈孝友.大学生厌学问题的个案分析及对策研究[J].云南社会主义学院学报.
[25]贾军虎.GMM-FBG交流电流传感系统的模型研究及实验分析[D].燕山大学,高电压与绝缘技术,2014,硕士.
[26]宋娇.湖北省高校竞技健美操运动员体能现状及其监测分析[D].华中师范大学,运动人体科学,2013,硕士.
[27]郭彪.头花蓼（Polygonum capitatum）再生体系建立及四倍体诱导[D].西南大学,园林植物与观赏园艺,2014,硕士.
[28]李天博.微拉伸实验比较MMPs抑制剂对牙本质粘结混合层强度的影响[D].吉林大学,口腔医学,2014,硕士.
[29]文旭.英语专业学生汉译英文本衔接特征分析[D].首都师范大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[30]郭玉杰.产业集聚、工资差距与区域协调发展[D].华中师范大学,人文地理学,2014,硕士.
[31]陈奇.基于G-L指数的中国与加拿大产业内贸易分析[D].哈尔滨工业大学,国际贸易学,2013,硕士.
[32]邓林.信息披露质量的影响因素研究[D].吉林大学,会计,2013,硕士.
[33]盛禹正.我国省级公共文化服务绩效指标体系构建研究[D].浙江大学,2013.
[34]伍露萍.高速线材活套的智能控制研究[D].东北大学,控制理论与控制工程,2010,硕士.
[35]孙艳玲.在“任务型”高中英语教学中如何设计任务[D].华东师范大学,教育,2003,硕士.
[36]郭净.我国资本市场对农业产业化经营推动作用的研究[D].河北农业大学,农业经济管理,2004,硕士.
[37]李贵峰.采用有机聚合物剪力键的钢—混凝土组合梁结构行为分析[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[38]赵苗.唐宋时期女性婚嫁服饰比较及其对当代时尚文化的影响[D].武汉纺织大学,设计艺术学,2014,硕士.
[39]赵唯行.基于CRM环境的客户服务体系构建的研究[D].西北工业大学,2003.
[40]蒋雯.美术教科书在义务教育阶段“同版选修”的试行模式[D].长春师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[41]张英.大都市城郊农村社区教育发展模式研究[D].上海交通大学,公共管理,2012,硕士.
[42]万娅敏.双能量CT对胃癌患者术前病理分级及分期的临床研究[D].郑州大学,影像医学与核医学（专业学位）,2014,博士.
[43]朱马（JumaSaidiAlly）.协作多小区多用户MIMO系统中线性预编码方案的性能分析[D].华中科技大学,电子与信息系统,2013,硕士.
[44]彭宏,荆晶.无线自组织量子通信网络的Grover路由算法研究[J].浙江工业大学学报,2014,06:612-615.
[45]熊晓军,贺振华,黄德济,文晓涛,宁忠华.一种新的裂缝储层的数值模拟方法[J].石油地球物理勘探,2006,S1:52-56+142+145-146.
[46]颜澄,梁雪松.基于需求角度的绍兴旅行社人力资源调研分析[J].现代物业(中旬刊),2013,03:108-110.
[47]郭富利,张顶立,苏洁,肖丛苗.地下水和围压对软岩力学性质影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,11:2324-2332.
[48]王堃洋.商业银行中小企业信货资产证券化的模式研究[D].东北师范大学,金融学,2012,硕士.
[49]王成亮.银企关系对企业现金持有量的影响研究[D].华侨大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[50]易国勇.消灭时效制度研究[D].华东政法学院,法律,2003,硕士.