橋梁移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷稀疏正則化識別

發(fā)布時間：2020-05-05 12:30

【摘要】：移動荷載識別(Moving force identification,MFI)和結(jié)構(gòu)損傷識別(Structural damage detection,SDD)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(Structural health monitoring,SHM)領(lǐng)域內(nèi)兩個重要的研究內(nèi)容。結(jié)合稀疏表示,本文就上述兩方面內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)研究,主要研究內(nèi)容如下:1)針對荷載識別中定性分析研究的不足,定義“源-像對”概念并進(jìn)行相關(guān)探討�！霸�(Source)”泛指外荷載與初始條件,“像(Image)”是指源激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),“源-像對(Source-image pair)”指由特定源及其對應(yīng)像形成的集合。采用預(yù)先構(gòu)建好的“源-像對”封裝線性振動系統(tǒng)。為定性理解封裝后的系統(tǒng),從“像”的角度衍生了零源、非零源、正交源、非正交源、相似源、縮放因子、相似系數(shù)等概念。定性探討各概念的物理意義,形成若干針對荷載識別反問題的定性結(jié)論。2)考慮未知初始條件的影響,提出一種基于稀疏表示的MFI新方法。邏輯思想上,新方法包括兩個步驟:響應(yīng)分解和荷載重構(gòu);具體實現(xiàn)上,采用L_1正則化與截斷特征法(Truncated feature method,TFM)對響應(yīng)進(jìn)行兩次壓縮,以確保解的稀疏性與穩(wěn)定性。理論上分析新方法與經(jīng)典Tikhonov正則化及L_1正則化的異同。采用簡支梁數(shù)值仿真驗證所提方法的可行性和有效性。結(jié)果表明:已知/未知初始條件下,新方法均能有效地識別移動荷載,具有強(qiáng)噪聲魯棒性。3)實驗室搭建單跨鋼管梁橋,先后開展了靜態(tài)分級加載實驗與試驗?zāi)B(tài)分析,相應(yīng)結(jié)果分別用于標(biāo)定應(yīng)變片和修正橋梁有限元模型。進(jìn)行車-橋耦合動力實驗。利用實驗數(shù)據(jù)開展一系列MFI工況分析,從不同角度驗證所提“基于稀疏表示的MFI新方法”的可行性和有效性。4)提出一種未知激勵下基于稀疏奇異值的SDD新方法。結(jié)合最小二乘荷載估計法構(gòu)造不同測點響應(yīng)間的傳遞矩陣。采用奇異值分解(Singular value decomposition,SVD)技術(shù)分解傳遞矩陣,生成用于信號分解的特征分量。依據(jù)信號分量的能量大小稀疏提取響應(yīng)主要特征,并用于估算實測奇異值。通過對比實測奇異值的變化來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。采用簡支梁數(shù)值仿真與懸臂梁實驗驗證所提方法的可行性與有效性。結(jié)果表明:在仿真算例與實驗?zāi)Ｐ椭?新方法均能準(zhǔn)確地判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷,具有較好的抗噪能力。5)在螢火蟲算法(Firefly algorithm,FA)的原型模式上,融合經(jīng)典的Nelder-Mead算法,提出一種自適應(yīng)Firefly-Nelder-Mead(Self-adaptive Firefly-Nelder-Mead algorithm,SA-FNM)改進(jìn)群智能算法。為平衡算法的全局尋優(yōu)能力與局部尋優(yōu)能力、兼顧計算的效率與精度,在SA-FNM算法主框架上增加了隨機(jī)游走策略、改進(jìn)信息交換策略以及關(guān)鍵參數(shù)自適應(yīng)控制策略。在此基礎(chǔ)上,提出一種基于SA-FNM算法的結(jié)構(gòu)損傷稀疏識別新方法。利用簡支梁數(shù)值仿真與模型實驗對所提方法進(jìn)行驗證。結(jié)果表明:a)所提方法能有效識別損傷;b)稀疏約束既能抑制噪聲的影響,又能凸顯結(jié)構(gòu)損傷的稀疏性。6)提出一種基于L_(1/2)正則化和移動平均Tikhonov正則化的移動荷載與結(jié)構(gòu)損傷同時識別新方法。首先,利用傳遞矩陣描述不同測點響應(yīng)間的關(guān)系,基于L_(1/2)稀疏約束構(gòu)建以損傷因子為優(yōu)化參量的優(yōu)化識別問題,選用Matlab優(yōu)化工具箱求解。其次,在SDD結(jié)果基礎(chǔ)上,將上述同時識別問題轉(zhuǎn)化為單一的MFI問題�？紤]到移動荷載時域局部平均值具有的相對穩(wěn)定性工程特點,結(jié)合移動平均窗概念,提出一種改進(jìn)的Tikhonov正則化方法,并用于MFI求解。最后,采用簡支梁仿真算例驗證所提方法的有效性和可行性。結(jié)果表明:所提方法能同時識別未知移動荷載和未知結(jié)構(gòu)損傷,且具有較強(qiáng)的噪聲魯棒性。
【圖文】：

示意圖,結(jié)構(gòu)振動,初始條件,荷載

暨南大學(xué)博士學(xué)位論文作用在系統(tǒng)上的荷載與初始條件統(tǒng)稱為源（Source）；其中描述荷載的載源（Force source），描述初始條件的源稱為初始條件源（Initial cone）�？紤]源 S 經(jīng)過系統(tǒng)映射，記測點 b 在時間區(qū)間 T 內(nèi)的響應(yīng)為 I。稱 I 為在時間區(qū)間 T 內(nèi)于測點 b 上的像，簡稱像（Image）。相應(yīng)由荷載源產(chǎn)為荷載像（Force image），，由初始條件源產(chǎn)生的像稱為初始條件像（ition image）

示意圖,近似分析,示意圖