移动载荷下损伤结构的动态响应及损伤识别方法研究

本课题的主要内容包括三个方面：第一、利用有限元和实验手段研究结构在移动载荷下的位移、应变、加速度等物理量在结构损伤前后的变化特点，发现对损伤敏感的物理量；第二、结合小波理论及其它信号处理技术构造敏感损伤指标，并分析、研究裂纹参数与损伤指标之间的量化关系；第三、较全面地讨论载荷、噪声、结构、信号处理技术对损伤指标敏感性的影响规律，总结一条评价识别方法灵敏度的可识别最小裂纹经验公式。本课题创新点在于以移动载荷下结构单点的时间历程响应为基本信息，降低了结构损伤检测的测试要求，增强了结构在线监测的可行性；以小波等时频分析手段发展敏感损伤指标，以及提出可识别最小裂纹经验公式研究。该公式有2层意义：第一评价识别方法的有效性和灵敏度；第二为发展高灵敏度识别方法提供理论指导。本研究将遵循先理论、后实验、再理论升华的顺序逐步展开，力争在桥梁健康监测取得有价值的科研成果。

本课题开展了移动载荷下桥梁结构的损伤识别方法研究，旨在提高桥梁结构在线检测水平，力争在减少传感器的使用、降低检测成本方面取得一些研究成果。首先，从理论方面解释了损伤引起结构动态响应的变化原理，主要以单点位移、速度、加速度、应变信号为基础信息进行梁结构损伤识别的方法，得到了损伤引起损伤引起结构动态响应的变化曲线。其次，从数值模拟和实验两个方面开展了基于小波包变换、连续小波变化、位移-速度相图、频响函数四类损伤指标研究，给出了损伤指标的提取方法。重点讨论了位移、速度、加速度信号在损伤识别中的应用，通过比较研究发现，如果同时考虑损伤敏感性和抗噪声能力，速度信号可取得较好的识别效果。在载荷参数方面，研究了恒定集中载荷下梁结构响应及损伤识别，双正弦移动载荷下结构响应及损伤识别，多轴载荷下结构响应及损伤识别；研究了利用壳单元和梁单元的建模方法，提供了一种模拟复杂工况下的结构动态响应提取方法和损伤识别方法。在实验研究方面，搭建了长度为”1m+2.5m+1m”的引桥、主桥、尾桥实验模型，开展了结构加速度测试与动态应变测试，并建立了“车辆-桥梁”振动信号传递函数分析法，提出了一种有效的工程检测方法。此外，针对于结构局部构件，考虑到引起结构局部动态响应的复杂性，并提高检测精度，开展了基于杜芬混沌振子敏感性的应力波无损检测方法，该方法利用了混沌系统对初始输入信号的敏感性，将导波信号作为杜芬方程外策动力的扰动项输入到方程中，利用方程解的状态变化识别导波，从而进行损伤检测。经过三年的研究，在本课题的资助下，课题组成员发表学术论文17篇，申请专利1项，本课题所取得的研究成果可为结构的在线检测，保障结构服役安全方面提供了良好理论基础。