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土木工程结构性能监测系统与损伤识别方法研究
时间:2020-12-18 20:21 | 栏目:土木工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-12-18期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇土木工程文章《土木工程结构性能监测系统与损伤识别方法研究》，供大家在写论文时进行参考。
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本篇论文是一篇土木工程硕士论文范文，在水泥基压电传感器开发的基础上，建立包括水泥基压电传感器、专门开发的小型电荷放大器、多通道数据采集仪和监测软件的水泥基压电传感系统，分析了水泥基压电传感系统用于土木工程结构性能监测的优势，并将其应用到短柱和框架结构的动态响应测试以及交通流的监测方面。
第一章 绪论
1.1 课题的背景和意义
进入二十世纪九十年代，我国成为世界经济发展速度最快的国家之一，基础建设投入占国民生产总值的很大部分。“十五”时期，全社会固定资产投资累计完成 29.5 万亿元，比“九五”期间增加 15.6 万亿元，五年年均增长 20.2%，超过了 1981-2000 年 20 年间全社会固定资产投资的总和。随着科学技术的不断进步，越来越多的超高层建筑、大跨度空间结构和特大桥梁不断涌现。位于台北市的 101 大厦，高度达到 508 米，为目前世界上超高层建筑之首。上海的金茂大厦（420 米）、广州的中信广场（391.1 米）、深圳的地王大厦（383 米）以及香港的中环广场大厦（374 米）和中国银行大厦（369 米）均在世界十大超高层建筑之列。2004 年建成的深圳市民中心其屋顶长度达到 486 米，为国内最大的空间结构。随着 2008 年北京奥运会的召开，大量大跨度空间结构将逐步建成，包括国家体育场（鸟巢）、国家游泳中心（水立方）和天津奥林匹克体育中心等。1997 年建成的香港青马大桥（1377 米）为目前世界上跨度最大的公路铁路两用悬索桥， 润扬长江大桥（1490 米）和 江阴长江大桥（1385 米）也居于世界大跨度悬索桥前列。南京长江二桥南汊桥（628 米）、武汉白沙洲长江大桥（618 米）、青州闽江桥（605 米）、上海扬浦大桥（602 米）和 上海徐浦大桥（590 米）也都位于世界斜拉桥跨度前十名之列。各类超高层建筑、大跨度空间结构和特大桥梁不仅标志我国建筑水平的不断提高，也为保证国民经济持续稳定发展、改善人民物质和文化生活条件发挥了巨大作用。大型土木工程结构和重要基础设施，如超高层建筑、大跨度空间结构、大跨度桥梁、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及生命线管网系统等，它们的生命周期都长达数十年，甚至上百年。在其生命周期中，由于外部荷载作用、环境因素、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾变因素的耦合作用以及各种不可确定因素，如突发性的地震，车、船的碰撞，爆炸等事件的影响，结构不可避免地产生累积损伤，从而抵抗外力的能力下降，甚至引发灾难性的突发事故。例如，1965 年英国北海海上石油钻井平台“海上钻石”号失效；1998 年宁波大桥在施工过程中主跨折断；1999 年重庆彩虹桥突然倒塌，40 人死亡，14 人受伤；2001 年四川宜宾南门大桥悬索及桥面部分断裂，导致 2 人死亡，2 受伤；2004 年四川成温邛公路金马河上的三渡水大桥新老桥均突然下陷；1995 韩国汉城三丰百货公司五层百货大楼在 30 秒内层层塌陷，导致 501 人死亡，造成韩国史上最惨重的建筑灾难；2006 年肯尼亚首都内罗毕市中心的一栋 5 层大楼突然倒塌，200 多人被埋其下；2004 年建成不到一年的法国巴黎夏尔·戴高乐机场的 2E 候机楼发生屋顶坍塌事故，造成至少 6 人死亡，3 人受伤；2006 年俄罗斯莫斯科鲍曼市场屋顶几乎全部坍塌，死亡人数达 57 人，另有 33 人受伤；2006 年德国东南部阿尔卑斯山小镇巴特赖兴哈尔一座溜冰馆屋顶坍塌，造成 15 人死亡，多人受伤；2006 年波兰南部卡托维茨市一个展览大厅的金属屋顶发生坍塌，死亡人数达 66 人，受伤 123 人。这些事故不仅造成重大的人员伤亡和财产损失，而且造成恶劣的社会影响。虽然土木工程结构在事故发生前，结构中均出现裂缝、桥墩下陷、局部开裂、挠度过大、钢筋锈蚀等症状，但由于缺乏有效可靠的预警和监测系统，无法在事故发生前发出警报，来避免事故的发生。有鉴于此，对于已建成使用的超高层建筑、大跨度空间结构、大跨度桥梁等重要建筑需要布置有效的监测系统，对其关键部位应力、位移以及整个结构的动态特性进行实时监测，随时评定其安全状况，在出现危险信号时能及时发出预警，避免灾难发生；对于拟建和在建的大型土木工程结构，在吸取以往的经验和教训基础上，在施工过程中就埋入各类传感器，从施工期开始监测结构各项参数，实时地把握结构的全寿命质量和安全状况，分析传感器获得的各项参数的变化，判断结构中可能出现的损伤，及时采取适当的修补措施，以确保工程结构在生命期内的安全性、完整性、可靠性、适用性和耐久性。
1.2 土木工程结构健康监测的研究现状
自从上世纪 50 年代以来，人们就意识到结构安全监测的重要性，但由于早期的监测手段比较落后，所以在应用上一直受到相当的限制。近年来随着现代测试、分析技术，计算机技术，数学理论及无线通讯技术的进步及相互融合，极大地促进了结构健康监测系统的初步完善并在实际土木工程结构中得到应用。早期的结构健康监测系统是建立在各种规模的桥梁结构中的。例如，英国在总长 522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据 网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨 530m）、美国主跨 440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨 1624m的Great Belt East悬索桥、英国主跨 194m的Flintshire独塔斜拉桥以及加拿大的Confederation Bridge桥等。随后结构健康监测系统也渐渐应用到其他土木工程结构中。美国的Fuhr 等人在佛蒙特州的一座水电站的施工阶段布设了振动、压力等传感器，组成健康监测系统，并在 1993 年水电站发电以后成功获得可靠的结构振动信号。日本在一栋允许一定裂缝的大楼上安装了健康监测系统，在一次较大规模的地震后增设了光纤传感器，用以监测结构的完整性与大楼的地震反应。瑞士在 Siggenthal 混凝土桥上安装健康监测系统，该系统由58 应变传感器、2 个倾角仪和 8 个温度传感器组成，其目的是监测施工过程中和以后长期的变形、弯曲和位移。Saafi 等将压电传感器阵列粘结到复合材料加强的混凝土结构上，用于监测复合材料粘结中开裂和性能下降情况，该方法具有探测、定位及估计开裂程度的能力。 我国土木工程界的专家学者也充分认识到了结构健康监测的必要性，开始尝试在重要土木工程结构中安装健康监测系统，对其运行使用情况进行监测研究。在香港的青马大桥上安装了 6 个风速仪、115 个温度计、6 台动态地秤、17 个加速度计、2 个位移计、118 个电阻应变丝、9 个水平仪和一套 GPS 系统；香港的另外几座大桥上，如汀九桥、汲水门桥和 Stonecutters桥上也安装了大量传感器，用以长期监测桥梁的使用安全性，并从结构的动态特性出发，获得了系列的研究成果。内地最近建成的润扬长江大桥为国内跨度最大的悬索桥，在其上安装了一套较为完善的健康监测系统。该系统包括四个子系统：传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统和数据分析和处理系统。内地的其他大型桥梁，如虎门大桥、芜湖长江大桥、南京长江大桥钱塘江四桥等桥梁上也安装了健康监测系统，对桥梁的健康状态进行监测。深圳市市民中心的大屋顶空间网架结构，是迄今世界上最大的网架结构。由武汉理工大学等单位参与研制开发的结构健康智能监测系统已经用于其上，监测结构在长期风力等恶劣环境作用下的工作状态并对其进行损伤评估。
自从上世纪 50 年代以来，人们就意识到结构安全监测的重要性，但由于早期的监测手段比较落后，所以在应用上一直受到相当的限制。近年来随着现代测试、分析技术，计算机技术，数学理论及无线通讯技术的进步及相互融合，极大地促进了结构健康监测系统的初步完善并在实际土木工程结构中得到应用。早期的结构健康监测系统是建立在各种规模的桥梁结构中的。例如，英国在总长 522m的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测环境风和结构温度场。该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，它实现了实时监测、实时分析和数据 网络共享。建立健康监测系统的典型桥梁还有挪威的Skarnsundet斜拉桥（主跨 530m）、美国主跨 440m的Sunshine Skyway Bridge斜拉桥、丹麦主跨 1624m的Great Belt East悬索桥、英国主跨 194m的Flintshire独塔斜拉桥以及加拿大的Confederation Bridge桥等。随后结构健康监测系统也渐渐应用到其他土木工程结构中。美国的Fuhr 等人在佛蒙特州的一座水电站的施工阶段布设了振动、压力等传感器，组成健康监测系统，并在 1993 年水电站发电以后成功获得可靠的结构振动信号。日本在一栋允许一定裂缝的大楼上安装了健康监测系统，在一次较大规模的地震后增设了光纤传感器，用以监测结构的完整性与大楼的地震反应。瑞士在 Siggenthal 混凝土桥上安装健康监测系统，该系统由58 应变传感器、2 个倾角仪和 8 个温度传感器组成，其目的是监测施工过程中和以后长期的变形、弯曲和位移。Saafi 等将压电传感器阵列粘结到复合材料加强的混凝土结构上，用于监测复合材料粘结中开裂和性能下降情况，该方法具有探测、定位及估计开裂程度的能力。 我国土木工程界的专家学者也充分认识到了结构健康监测的必要性，开始尝试在重要土木工程结构中安装健康监测系统，对其运行使用情况进行监测研究。在香港的青马大桥上安装了 6 个风速仪、115 个温度计、6 台动态地秤、17 个加速度计、2 个位移计、118 个电阻应变丝、9 个水平仪和一套 GPS 系统；香港的另外几座大桥上，如汀九桥、汲水门桥和 Stonecutters桥上也安装了大量传感器，用以长期监测桥梁的使用安全性，并从结构的动态特性出发，获得了系列的研究成果。内地最近建成的润扬长江大桥为国内跨度最大的悬索桥，在其上安装了一套较为完善的健康监测系统。该系统包括四个子系统：传感器系统、数据采集系统、数据通信与传输系统和数据分析和处理系统。内地的其他大型桥梁，如虎门大桥、芜湖长江大桥、南京长江大桥钱塘江四桥等桥梁上也安装了健康监测系统，对桥梁的健康状态进行监测。深圳市市民中心的大屋顶空间网架结构，是迄今世界上最大的网架结构。由武汉理工大学等单位参与研制开发的结构健康智能监测系统已经用于其上，监测结构在长期风力等恶劣环境作用下的工作状态并对其进行损伤评估。
第二章 水泥基压电传感器及其基本性能实验
2.1 引言
压电材料是目前广受关注的智能材料之一。压电材料通过电偶极子在电场中的自然排列而改变材料的尺寸，响应外加电场而产生力或应变，电和力学性能之间呈线性关系，具有响应速度快、频率高和应变小等特点。使用压电材料制成的传感器具有使用频带宽、灵敏度高、结构比较简单、工作可靠及重量轻等优点。随着配套的二次仪表及低噪声、小电容、高绝缘电缆出现，使压电传感器使用更为方便。本文开发一种用于土木工程结构性能监测的新型水泥基压电传感器。本章在压电材料理论的基础上，介绍了新型水泥基压电复合材料的传感特性等基本性能，研究了电荷放大器在水泥基压电传感系统中的应用，确定了水泥基压电传感器的制作过程，实验检测了传感器的频率独立性、线性度等基本性能，并使用标定程序确定其测量范围、灵敏度、线性度、滞回度和灵敏度界限等使用参数。研究结果表明，本文提出的水泥基压电传感器和混凝土有同样高的强度；在土木工程结构的自振频率范围内具有很好的频率独立性；同时在传感器输出幅值和输入荷载幅值间存在高度的线性关系；在施加组合荷载、随机荷载和方波荷载时候，该传感器可以准确反映输入荷载；通过标定实验，该传感器具有很大的测量范围和很低的滞回度。
2.2 压电材料基本理论
1880 年 Curie Pierr 和 Curie Jacques 兄弟发现，当在某些特定方向上对某石英晶体加力（拉或压）时，在与力方向垂直的平面内出现正、负束缚电荷。这种现象后来被称为压电性。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生等量符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态。人们把这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化方向施加电场，它会产生机械变形，当去掉外电场后，该物质的变形随之消失，这种把电能转换为机械能的现象，称为逆压电效应。常见的力-电转换方式有三种，如图 2-1 所示，分别称为压电性的纵向效应（力作用方向和形成的电场方向一致）、横向效应（力作用方向和形成的电场方向垂直）、剪切效应（力作用方向和剪切形成的电场方向垂直）。
1880 年 Curie Pierr 和 Curie Jacques 兄弟发现，当在某些特定方向上对某石英晶体加力（拉或压）时，在与力方向垂直的平面内出现正、负束缚电荷。这种现象后来被称为压电性。压电效应分为正压电效应和逆压电效应。当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生等量符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电状态。人们把这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。反之，在某些物质的极化方向施加电场，它会产生机械变形，当去掉外电场后，该物质的变形随之消失，这种把电能转换为机械能的现象，称为逆压电效应。常见的力-电转换方式有三种，如图 2-1 所示，分别称为压电性的纵向效应（力作用方向和形成的电场方向一致）、横向效应（力作用方向和形成的电场方向垂直）、剪切效应（力作用方向和剪切形成的电场方向垂直）。
还有一种电致伸缩效应，即电介质在电场作用下，会由于极化而引起与电场方向无关的形变现象。电致伸缩效应与逆压电效应都是由电能转换为机械能的效应，两者的不同在于：电致伸缩效应与电场方向无关，其形变大小与电场强度的平方成正比；而逆压电效应则与电场方向有关，其形变与电场强度成正比，当外加电场反向时，产生的形变也反向。压电效应是晶体的物理现象，它具有方向性。单晶材料的压电效应由于这些晶体受外力作用时，其内部晶体结构发生变形，使原来宏观表现的电中性被破坏而产生电极化，从而出现压电效应。
第三章 水泥基压电传感系统及其对结构性能监测的应用
3.1 引言
3.2 水泥基压电传感系统
3.3 短柱实验
3.4 框架实验
3.5 水泥基压电传感系统应用于交通流的监测
3.6 本章小结
第四章 结构动力响应统计特征作为损伤指标的可行性
4.1 引言
4.2 目前所采用的损伤指标
4.3 敏感性分析
4.4 测量噪声消除
4.5 数值模拟
4.6 本章小结
第五章 基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法
5.1 引言
5.2 人工神经网络基本理论
5.3 结构损伤识别人工神经网络方法
5.4 数值模拟
5.5 本章小结
第六章 基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法的模型实验验证
6.1 引言
6.2 两端固结梁模型实验设计
6.3 模型实验损伤样本设计
6.4 损伤固结梁模型的自振频率分析
6.5 识别结果分析与讨论
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
目前，结构健康监测已经成为全世界土木工程学者的研究热点。土木工程结构健康监测对于避免人员财产损失、减少结构维修费用、延长结构寿
命、保证结构耐久性和实用性、评估重要结构灾后健康状况、验证结构的理论模型和计算假定等方面有着重要意义。然而，由于土木工程结构中的不确定因素和复杂的工作环境、测量仪器的精度不够、耐久性和稳定性差、信号处理中的噪声干扰以及缺乏有效实用的损伤指标等诸多因素的影响，目前世界上还没有建立一套完全满足结构监测需要的长期健康监测系统。本文针对目前结构健康监测中存在的问题，在开发新型适用于结构性能监测的水泥基压电传感系统和应用新的损伤指标进行结构损伤识别等方面开展工作。本文创新点如下：在水泥基压电复合材料的基础上，研制开发出一种新型水泥基压电传感器。该传感器的制作方法为将压电陶瓷片粘结在两个水泥立方体间。为此特地开发了一种新型具有高强度、高电阻率和高防水性的封装材料来粘结水泥块和压电陶瓷片。稳定的实验结果表明，本文所提出的水泥基压电传感器的制作方法是有效可靠的。该水泥基压电传感器在土木工程测量常用的频率范围内具有良好的频率独立性，特别是其在低频范围内的频率独立性是传统的压电传感器所不具有的。 建立了包括水泥基压电传感器、专门研制开发的小型电荷放大器、多通道数据采集仪和监测软件的水泥基压电传感系统。水泥基压电传感器可以像骨料一样埋入混凝土结构中而不改变结构的特性，与混凝土材料的兼容性很好，同时混凝土封装避免了传统传感器的金属外壳腐蚀问题。除此之外，其较低的成本和较少的辅助仪器也有利于水泥基压电传感系统在土木工程结构中的应用。实验结果表明，该水泥基压电传感系统不仅可以用于建筑结构中的动态响应监测，还可以用于交通领域中的流量监测。在研究各种损伤指标的基础上，提出采用结构动力响应统计特征作为损伤指标进行结构损伤识别。在结构随机振动理论的基础上推导出结构动态响应（包括位移、速度和加速度）的统计特征（包括均值和方差）与结构损伤位置和损伤程度之间的关系，通过敏感性分析确定以结构动态位移的方差作为结构损伤识别的损伤指标。这种采用统计量作为损伤指标来代替以往的确定性损伤指标可以在很大程度上消除有限元模型的不确定性和实际测量中的观测误差。提出基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法。以结构动力响应的方差及协方差的变化作为神经网络的输入，以结构中损伤位置和损伤程度作为输出，采用已知的结构损伤样本进行训练，使神经网络具有识别结构中损伤的能力。通过对三跨连续梁的数值模拟和两端固结梁的模型实验对该方法进行验证。在数值模拟和模型实验中，损伤识别过程均分为位置识别和程度识别。研究结果表明，本文提出的基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法是可行有效的。 虽然本文对新型水泥基压电传感系统的开发与应用以及基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法进行了系统的研究，取得了一些研究成果，但是要实现水泥基压电传感系统和基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法在实际土木工程结构健康监测中应用还需要进行以下工作：开展对水泥基压电传感器的长期稳定性研究，并将该传感器用于实际的土木工程结构中，如高层建筑和大跨度桥梁中。在实际结构中的复杂环境下检验该水泥基压电传感系统的性能.研究使用结构应力响应的统计特征作为损伤识别的可行性，以便更为有效地利用水泥基传感系统的测量数据。将基于结构动力响应统计特征的结构损伤识别人工神经网络方法应用到实际结构中，以检验该方法在大型复杂结构系统中，受各种不确定因素及噪声影响下使用的有效性和可靠性。研究利用结构损伤识别的结果进行结构健康状态和剩余寿命的评估，实现结构健康监测的最终目的，从而避免人员财产损失、减少结构维修费用。
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