大跨焊接空间钢结构风致损伤智能诊断理论与预警系统研究

大跨焊接空间钢结构的风致焊缝拉裂损伤是此类结构最易发生的结构损伤之一。它的发生和发展会影响结构的安全，甚至引起结构倒塌和丧失使用功能。如果及时发现结构的焊缝拉裂损伤并维修，对保证其安全十分重要。但是，此类结构的服役环境复杂、体型庞大，因此靠常规识别方法实现发现损伤十分困难。为此，建立焊接空间钢结构的风致损伤智能诊断与预警十分必要。.本项目致力于研究大跨焊接空间钢结构风致损伤智能诊断理论，并在此基础上建立此类结构的损伤预警系统。项目的主要特点是： 1）建立反映结构焊缝拉裂损伤的结构等效模型，用等效截面刚度来标识损伤。2）通过结构响应的灵敏度分析确定结构所需测量响应的传感器，再通过有限风压力传感器测量获得结构损伤诊断所需的荷载信息，利用获取的荷载信息和结构响应信息确定结构的受损区域，最后在受损区域中识别各杆件的损伤标识量确定结构的损伤。3）应用虚拟仪器技术和数据库共享技术建立智能损伤预警系统。

项目“大跨度焊接空间钢结构风致损伤智能诊断理论与预警系统研究”从2011年立项以来，项目组按照研究计划展开相关研究工作，到2013年底已基本完成项目的研究，取得了一系列的研究成果，共发表学术论文11篇，其中SCI、EI收录7篇，待发表学术论文4篇，获国家实用新型专利1项，获湖北省科技进步二等奖1项，培养研究生9名。项目主要完成的研究工作有：.1. 建立了大跨焊接钢结构损伤诊断等效有限元模型，确定了焊缝拉裂与杆端等效截面刚度的关系。.2. 考虑到大跨空间钢结构的复杂性，提出了改进风荷载识别精度的双加权本征正交分解法。通过对作用在结构屋面上风荷载的识别，验证了方法的正确性。.3. 根据大跨空间钢结构杆件多节点多的特点，提出了大跨焊接空间钢结构损伤诊断的智能两阶段法，先依据有限测点信息合理划分结构子区域，识别焊缝拉裂损伤发生的区域，再在损伤区域内定位损伤。并通过对建立的空间焊接钢结构模型进行焊缝拉裂损伤诊断验证了方法的可行性和有效性。.4. 提出了根据某一杆件焊缝拉裂会导致节点加速度小波变换后高频信号的奇异，各节点高频信号奇异性值的大小，可用来判断杆件破坏的影响范围，以此为依据合理划分结构的子区域并布置传感器，从而实现有限测点信息的结构损伤区域判定。还提出了根据结构损伤节点加速度功率谱密度的灵敏度大小来判定结构杆件损伤影响范围，合理的划分结构子区域，确定传感器布置的位置和数量。一旦损伤区域确定，在损伤子区域中再进行损伤定位就变得简单易行。.5. 提出了采用斜率变化法和小波方法区分奇变点是有效信号或毛刺噪声，采用改进Butterworth低通滤波方法去除高频噪声，提高采集数据的信噪比。.6. 提出了根据传感信息之间的相关性，采用线性回归、灰色预测和卡尔曼预测分析传感信号的变化趋势，采用卡尔曼预测方法进行多传感器信息融合，为诊断系统的预警功能提供可靠依据。.7. 设计制作了适用于大跨焊接钢结构损伤诊断的光纤光栅加速度传感器，并通过试验验证了该传感器的高精度和高灵敏度。建立了大跨度焊接空间钢结构智能损伤诊断系统，并通过了实验室模型验证。.本项目对大跨度焊接空间钢结构风致损伤智能诊断理论的系统研究和试验验证，并建立该结构的预警系统，所取得的研究成果，对保证此类结构在风荷载作用下的安全十分必要。项目的研究成功，为进一步深入研究此类结构损伤诊断奠定理论基础。