基于泄流激励的结构模态参数识别方法与泄流结构损伤诊断研究

泄流结构是水利枢纽宣泄洪水的安全通道，泄流结构要承受高速水流的作用，会因冲刷、空蚀、磨蚀和振动等产生结构损伤，也会在地震等作用下产生损伤，如何有效地检测出泄流结构的损伤程度、正确评估其安全性，对确保枢纽整体安全是至关重要的。本课题旨在全面提高在役泄流结构安全性为目标，开展基于泄流激励的泄流结构模态参数识别方法及其损伤诊断研究。研究输入（泄流荷载）未知或不完全已知条件下泄流结构的模态参数识别方法及传感器优化布置，研究降低水流等环境背景噪声影响、提高模态参数识别精度相关技术，研究"多损伤、强干扰、强耦合"条件下泄流结构（尤其是水下部位）实时损伤定位与定量诊断理论方法，全面、有效地评估泄流结构的工作性态或损伤情况，以满足水利工程安全运行需要。

泄流结构是水利枢纽宣泄洪水的安全通道，泄流结构要承受高速水流的作用，会因冲刷、空蚀、磨蚀和振动等产生结构损伤，也会在地震等作用下产生损伤，如何有效地检测出泄流结构的损伤程度、正确评估其安全性，对确保枢纽整体安全是至关重要的。本课题旨在全面提高在役泄流结构安全性为目标，开展基于泄流激励的泄流结构模态参数识别方法及其损伤诊断研究，主要研究内容包括：研究输入（泄流荷载）未知或不完全已知条件下泄流结构的模态参数识别方法及传感器优化布置；研究降低水流等环境背景噪声影响、提高模态参数识别精度相关技术；研究“多损伤、强干扰、强耦合”条件下泄流结构实时损伤定位与定量诊断理论方法。.本课题采用理论分析、模型试验、原型观测、数值模拟相结合的研究方法，主要取得了以下研究成果：（1）提出了基于QR分解和MAC准则的泄流结构动力测试的传感器优化配置方法，并将该方法应用于原型拱坝模态参数识别，提高了动力测试效率和模态参数识别精度；（2）在经验模式分解（EMD）降噪的基础上，提出了利用能量密度与平均周期之积为一常数来判断虚假固有模态函数分量，基于经验模式分解和自回归滑动平均模型实现了泄流结构信号降噪与参数识别；研究了基于奇异熵的信号降噪方法，并结合特征系统实现法（ERA）提出了一种适用于泄流结构系统工作模态定阶及提高参数识别精度的方法。（3）针对泄流结构模态系统定阶难问题，利用特征矩阵奇异熵对泄流结构脉冲响应函数进行定阶，解决系统特征矩阵定阶难的问题，揭示泄流结构在泄流工作状态下的模态阶次并实现了模态参数识别；针对频域分解法奇异值曲线峰值选取的主观性等问题，提出定义模态一致性函数（MCF）的方法，解决结构虚假模态频率的剔除问题，同时提高了阻尼比的计算精度。（4）基于正则化频率变化率仅与损伤位置有关的理论，建立了多阶频率与损伤位置的关系图，实现了泄流结构损伤定位；基于D-S证据推理理论，提出基于静态与动态监测信息相融合的泄流结构损伤检测方法，其结果优于单纯用一种信息评估结构的损伤情况，避免了误诊。（5）在基于灵敏度分析的有限元模型修正方法基础上，提出了对实测模态和结构模型同步修正的结构损伤识别方法，有效降低了噪声的影响，提高损伤识别的精度。本项目成果已应用于映秀湾水电站拦河闸震后损伤检测、三峡溢流坝及左导墙动力测试、二滩拱坝原型动力测试等实际工程，为评估泄流结构工作性态或损伤情况提供了参考依据。