【摘要】：水工混凝土結(jié)構(gòu)包括混凝土壩、船閘、溢洪道和引水塔等建筑物,這些建筑物一旦發(fā)生破壞,將可能會(huì)對(duì)下游人民的生命安全及財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的隱患,因此對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)及健康診斷顯得至關(guān)重要。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且難以對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)、有效的判斷,對(duì)于水庫(kù)大壩的應(yīng)力、位移、水位等靜力要素的監(jiān)測(cè)可借助統(tǒng)計(jì)模型對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)做出一定程度的評(píng)判,而動(dòng)力監(jiān)測(cè)可借助地震、泄流及人為活動(dòng)等環(huán)境激勵(lì)的作用對(duì)結(jié)構(gòu)的分部及整體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在時(shí)效性及經(jīng)濟(jì)性方面有很突出的優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)環(huán)境激勵(lì)下水工混凝土結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別及損傷診斷問(wèn)題,在實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)及數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:模態(tài)識(shí)別方法根據(jù)識(shí)別域主要分為時(shí)域、頻域和時(shí)頻域,各種方法可根據(jù)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)識(shí)別得到系統(tǒng)模態(tài)。在結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別中,即使在結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化的情況下,各次結(jié)構(gòu)的識(shí)別結(jié)果因不同激勵(lì)源及噪聲等因素也往往存在一定的隨機(jī)性,尤其是數(shù)據(jù)較多的情況F,提取結(jié)構(gòu)穩(wěn)定模態(tài)存在一定的困難。本文提出了基于模態(tài)識(shí)別的系統(tǒng)特征穩(wěn)定模態(tài)動(dòng)態(tài)聚類提取方法,并借助一個(gè)重力壩的實(shí)際工程算例,驗(yàn)證了本文所提出穩(wěn)定模態(tài)動(dòng)態(tài)聚類方法的適用性及可操作性針對(duì)環(huán)境量對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響效應(yīng)這一問(wèn)題,結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論、有限元法及模態(tài)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行定性研究。采用附加質(zhì)量法來(lái)模擬水庫(kù)動(dòng)水對(duì)壩體上游的作用,借助有限元數(shù)值計(jì)算及模態(tài)識(shí)別技術(shù),分析水位對(duì)水工混凝土重力壩模態(tài)的影響,結(jié)果表明重力壩的特征頻率隨著水位的降低呈現(xiàn)出增大的特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果,即溫度改變而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生變化主要是由于其彈性模量發(fā)生改變,采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算及模態(tài)識(shí)別技術(shù),分析環(huán)境溫度對(duì)水工混凝土重力壩模態(tài)的影響,結(jié)果表明在各水位下重力壩的特征頻率隨著環(huán)境溫度的增大而減小分析了結(jié)構(gòu)損傷診斷的頻率指標(biāo)在結(jié)構(gòu)受損情況下的變化機(jī)理。針對(duì)在實(shí)際工程中因損傷引起結(jié)構(gòu)模態(tài)變化幅度可能較小而導(dǎo)致難以辨識(shí)的問(wèn)題,將局部離群因子算法引入到水工混凝土結(jié)構(gòu)的損傷診斷中,提出了基于局部離群因子(local outlier factor,LOF)的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷方法。在數(shù)值分析和工程實(shí)例中取得了非常不錯(cuò)的效果。本文在水工混凝土結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別與損傷診斷方面做了一定程度的研究,指出了穩(wěn)定模態(tài)聚類方法,定性分析了環(huán)境量對(duì)水工混凝土重力壩模態(tài)的影響規(guī)律,提出的基于LOF的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷方法為應(yīng)對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)因損傷引起的模態(tài)指標(biāo)微小變化辨識(shí)的問(wèn)題提供了新的解決思路,以上成果可為后期進(jìn)一步研究提供一定的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV33
【圖文】：

環(huán)境激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的健康診斷的研究包括模態(tài)識(shí)別、環(huán)境量對(duì)損傷診斷指標(biāo)的影響及損傷診斷方法等方面，以下分別對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。1.2.1 模態(tài)參數(shù)識(shí)方法及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的本質(zhì)是對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)信息進(jìn)行模態(tài)識(shí)別與分析研究。對(duì)于水工混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析主要分為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和運(yùn)行模態(tài)分析兩種方式。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是結(jié)構(gòu)受人工激勵(lì)作用，這些人工激勵(lì)的產(chǎn)生方式多種多樣，如起振機(jī)振動(dòng)和爆炸振動(dòng)等。人工振動(dòng)激勵(lì)往往是可控制的，但是此類激勵(lì)，尤其是針對(duì)大型混凝土結(jié)構(gòu)所需的激勵(lì)作用往往成本較大。同時(shí)，人工激勵(lì)可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)一定的損傷。除此之外，人工激勵(lì)與結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行中所受的激勵(lì)往往有較大偏差，因而可能導(dǎo)致模態(tài)識(shí)別結(jié)果有一定的偏差。結(jié)構(gòu)的運(yùn)行模態(tài)分析受環(huán)境激勵(lì)，該方法具有以下優(yōu)勢(shì)：①環(huán)境激勵(lì)是結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行中所受的真實(shí)自然激勵(lì)，不受人為固定因素的影響，且環(huán)境激勵(lì)可針對(duì)結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位，反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，因此可準(zhǔn)確真實(shí)的反映出結(jié)構(gòu)當(dāng)前的性態(tài)，有利于結(jié)構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)；②環(huán)境激勵(lì)幾乎可以完全避免人工激勵(lì)所需的費(fèi)用，在較少監(jiān)測(cè)費(fèi)用的同時(shí)還可以一定程度的減小對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷，與無(wú)損監(jiān)測(cè)的思想一致。如圖 1-1 所示為水工混凝土大壩結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別過(guò)程示意圖。

針對(duì)混凝土模態(tài)識(shí)別結(jié)果復(fù)雜，各次識(shí)別過(guò)程單獨(dú)定階的結(jié)果不同，難以確定較為模態(tài)的問(wèn)題。在此本文提出一種穩(wěn)定模態(tài)識(shí)別聚類的方法，該方法可以在相同結(jié)構(gòu)的模態(tài)識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚類，自動(dòng)尋求最穩(wěn)定的各階模態(tài)，繼而可確定該結(jié)為穩(wěn)定的各階模態(tài)。（2）水工結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別中環(huán)境量影響的定性分析研究針對(duì)環(huán)境量對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生影響的問(wèn)題，本文就影響較大的水溫度因素進(jìn)行研究。采用 MSC.Marc 進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，提取動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別。在此基礎(chǔ)上判別環(huán)境量是否對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)識(shí)別結(jié)果有一定的影響，繼而定性環(huán)境量對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)影響的效應(yīng)。（3）基于 LOF 的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷方法研究針對(duì)在實(shí)際工程中損傷引起結(jié)構(gòu)模態(tài)變化幅度可能較小，因此直接運(yùn)用頻率等模態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷較為困難的問(wèn)題，將局部離群因子算法引入到水工混凝土結(jié)構(gòu)的診斷中，提出了基于 LOF 的水工混凝土結(jié)構(gòu)損傷診斷方法。1.3.2 技術(shù)路線本文研究技術(shù)路線如圖 1-2 所示。

圖 2-1 動(dòng)態(tài)聚類示意圖Fig.2-1 Dynamic Clustering Diagram聚類的過(guò)程構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的模態(tài)參數(shù)，對(duì)該結(jié)構(gòu)的多組模態(tài)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行步判斷各組模態(tài)識(shí)別結(jié)果中大致分為幾階較為合適，初步定義聚類算法中判別是否在該類（即該階模態(tài)）的聚類半徑別以各階模態(tài)初始值為聚類中心，分析判別各組中是否存參數(shù)，若為多個(gè)則取最接近聚類中心的那一個(gè)，提取該對(duì)象求類中存在對(duì)象的平均值，將該平均值更新為類中心；重復(fù)第 3、4 步，直至判別提取完成所有數(shù)據(jù)；析該類是否合理，若提取的該類中對(duì)象數(shù)與判別組數(shù)相差，如該類中對(duì)象數(shù)較少，則需重復(fù) 1~6 步。

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