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基于小波分析的桥梁结构损伤识别方法研究

作　者: 施立成
导　师: 管德清
学　校: 长沙理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 小波变换有限元法桥梁损伤识别转角模态应变模态曲率模态
分类号: U441.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

桥梁是交通运输系统的重要组成部分,桥梁结构的安全是交通运输系统正常运转的前提。实际工程应用中往往由于桥梁设计、施工、不恰当的使用和自然灾害等原因,使得许多桥梁产生老化、破损、裂缝等损伤,从而导致桥梁结构发生垮塌、断裂等严重后果,造成人们生命财产的重大损失。小波分析方法是近年来国际上发展起来的一种新的时-频分析方法,它具有空间局部化性质,在信号奇异性检测方面有着独特的优势。因此,采用小波分析理论研究桥梁结构的损伤诊断方法,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文采用小波分析理论,通过建立桥梁结构的有限元模型,研究损伤对桥梁结构模态参数的影响,给出了桥梁损伤识别的原理。以mexh小波为母小波,通过对损伤桥梁进行连续小波变换,由小波系数模极大值曲线来识别桥梁损伤的位置,建立了一种利用小波分析理论识别桥梁结构损伤的方法。本文以含损伤的连续钢箱梁桥为研究对象,建立了连续钢箱梁桥的三维有限元模型,利用有限元法分析研究连续钢箱梁的振动特性,通过计算得到了连续钢箱梁的振型、转角、应变和曲率模态。采用小波分析方法对损伤连续钢箱梁的模态参数进行连续小波变换,由小波系数模极大值位置识别连续钢箱梁桥内损伤的位置,建立了一种基于模态参数识别连续钢箱梁桥损伤的小波分析方法。通过对一含有不同损伤的三跨连续钢箱梁桥的数值计算分析,验证了方法的有效性。本文以含损伤斜拉桥为研究对象,通过对含损伤斜拉桥的有限元计算分析,分别研究斜拉桥主梁损伤、斜拉索损伤以及主梁和斜拉索同时损伤斜拉桥的动力特性。以Mexh小波为母小波,通过对损伤斜拉桥的模态参数进行连续小波变换,由小波系数模极大值位置识别主梁和斜拉索损伤的位置。建立了基于模态信息识别含损伤斜拉桥的小波分析方法。本文通过有限元计算分析和对转角、应变和曲率模态的小波变换方法,分别研究了单塔斜拉桥和双塔斜拉桥在主梁损伤、斜拉索损伤以及主梁和斜拉索同时损伤等不同损伤工况下的损伤识别问题,获得了满意的效果,验证了方法的正确性。本文方法对于斜拉桥结构的损伤诊断具有指导意义。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-22
  1.1 结构损伤识别研究的意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 基于频率观测的结构损伤识别方法  12-13
    1.2.2 基于结构柔度变化的损伤识别方法  13-14
    1.2.3 基于应变模态的结构损伤识别方法  14-15
    1.2.4 基于模态应变能量变化的结构损伤识别方法  15
    1.2.5 神经网络法  15-17
    1.2.6 基于遗传算法的损伤识别  17-18
  1.3 小波分析的兴起及其在损伤识别中的应用  18-20
  1.4 本文研究的主要内容  20-22
第二章小波分析理论及桥梁结构损伤识别原理  22-43
  2.1 小波理论的发展  22
  2.2 连续小波变换的基本原理  22-26
    2.2.1 连续小波变换的性质  22-25
    2.2.2 连续小波变换的尺度特性  25
    2.2.3 连续小波变换的频率特性  25-26
  2.3 几种常见的小波介绍  26-29
    2.3.1 Gaussian 小波  27
    2.3.2 Mexican Hat(Mexh)小波  27-28
    2.3.3 symlet(symN)小波  28-29
    2.3.4 Morlet 小波  29
  2.4 小波变换的损伤识别原理  29-33
    2.4.1 引言  29-30
    2.4.2 奇异点的定义  30-31
    2.4.3 奇异点位置的确定方法  31
    2.4.4 小波基和分析尺度的选择原则  31-33
  2.5 含损伤的桥梁动力分析及损伤识别原理  33-43
    2.5.1 转角模态在桥梁结构损伤识别中的应用原理  36-37
    2.5.2 曲率模态在桥梁结构损伤识别中的应用原理  37-40
    2.5.3 应变模态在桥梁结构损伤识别中的应用原理  40-43
第三章基于小波分析的连续钢箱梁桥损伤识别方法  43-51
  3.1 引言  43
  3.2 连续钢箱梁的有限元模型  43-44
  3.3 含损伤连续钢箱梁桥的振型模态小波变换识别  44-46
  3.4 含损伤连续钢箱梁桥的转角模态小波变换识别  46-47
  3.5 含损伤连续钢箱梁桥的应变模态小波变换识别  47-48
  3.6 含损伤连续钢箱梁桥的曲率模态小波变换识别  48-51
第四章基于小波分析的单塔斜拉桥损伤识别方法  51-66
  4.1 引言  51
  4.2 单塔斜拉桥的有限元模型  51-52
  4.3 主梁损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  52-57
  4.4 斜拉索损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  57-62
  4.5 主梁和斜拉索同时损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  62-66
第五章基于小波分析的多塔斜拉桥损伤识别方法  66-84
  5.1 引言  66
  5.2 多塔斜拉桥的计算模型  66
  5.3 主梁损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  66-72
  5.4 斜拉索损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  72-78
  5.5 主梁和斜拉索同时损伤的转角、应变、曲率模态的小波变换识别  78-84
第六章结论与展望  84-86
  6.1 结论  84-85
  6.2 展望  85-86
参考文献  86-92
致谢  92-93
附录  93

基于小波分析的桥梁结构损伤识别方法研究

内容摘要

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