基于盲源分離技術(shù)的混凝土梁非線性振動分析.pdf

1、近些年來，人們對基于線性振動的結(jié)構(gòu)損傷識別進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果。然而，結(jié)構(gòu)損傷前后材料的性質(zhì)和構(gòu)件幾何條件的變化，裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展都會對結(jié)構(gòu)模態(tài)特征的變化產(chǎn)生影響。因此，實際結(jié)構(gòu)的振動特性通常都表現(xiàn)出一定程度的非線性，將結(jié)構(gòu)損傷前后均假定為線性系統(tǒng)來描述其振動特征，可能丟失一些重要的損傷信息，影響結(jié)構(gòu)損傷識別的效果。
　　現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)多數(shù)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，已有一些研究者對基于混凝土結(jié)構(gòu)非線性振動特性的損傷識別進(jìn)行了

2、研究。其一般做法是通過對結(jié)構(gòu)人為造成損傷，記錄不同損傷程度下結(jié)構(gòu)的自由振動信號，對信號進(jìn)行時頻分析，得到不同損傷程度下的頻率-振幅曲線族。已有的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性振動分析主要存在以下兩方面的問題：其一，分析時采用單個通道的振動信號，受噪聲干擾大，如何處理有待解決；其二，需要對信號進(jìn)行開窗平滑或者帶通濾波，使數(shù)據(jù)信息量降低，丟失信號的局部振動特征。為了解決以上問題，本文嘗試將盲源分離技術(shù)引入到混凝土結(jié)構(gòu)的非線性振動分析中。
　　盲

3、源分離是指在源信號特性或者傳輸通道特性未知的情況下，僅僅由源信號或者觀測信號的一些先驗知識估計出源信號各個分量的過程。盲源分離技術(shù)是針對從檢測的混合信號中恢復(fù)或者估計源信號的問題提出的，已在生物醫(yī)學(xué)工程、陣列信號處理、語音識別、圖像處理、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)識別和健康監(jiān)測等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用。其中在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用才剛剛起步，主要用于結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別。本文將盲源分離技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的非線性振動特性分析中，用基于聯(lián)合對角化的二階統(tǒng)計量盲辨識算法(S

4、OBI)從結(jié)構(gòu)的振動信號中分離出第一階振動分量，然后利用Hilbert變換得到各級損傷下結(jié)構(gòu)的頻率-振幅曲線族，從中分析結(jié)構(gòu)非線性振動特性與損傷程度的關(guān)系，探索用結(jié)構(gòu)的非線性振動特性來進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可行性。
　　本文完成的主要工作及結(jié)論如下：
　　(1)首次將盲源分離技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的非線性振動特性分析中，用基于聯(lián)合對角化的二階統(tǒng)計量盲辨識(SOBI)算法成功地對密集頻率系統(tǒng)和鋼筋混凝土簡支梁等仿真算例信號進(jìn)行了分離，得到

5、各階振動分量。仿真算例的結(jié)果說明了盲源分離算法的可行性，為將該方法用于實際結(jié)構(gòu)振動信號的分析提供了依據(jù)。此外，對于密集頻率干擾的情況，盲源分離技術(shù)能得到較為良好的識別結(jié)果，充分體現(xiàn)了該方法分離密集頻率信號的能力。
　　(2)在小波軟閾值去噪的基礎(chǔ)上，應(yīng)用盲源分離算法（SOBI）成功實現(xiàn)了對鋼筋混凝土簡支梁和預(yù)應(yīng)力箱梁實測振動信號的分離。利用得到的第一階振動分量，采用Hilbert變換得到各級損傷后結(jié)構(gòu)的頻率-時間曲線和振幅-時間曲

6、線，形成頻率-振幅曲線族。由頻率-振幅曲線族分析了結(jié)構(gòu)的非線性振動特性，同時探索了將結(jié)構(gòu)的非線性振動特性應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的可行性。隨著損傷的增大，鋼筋混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的非線性振動程度(即頻率隨振幅的增加而下降的程度)不是呈單調(diào)增加或者單調(diào)減小的變化趨勢，而是先增加后減小。盡管如此，對于結(jié)構(gòu)早期的損傷預(yù)警或者對完整性要求很高的結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測仍然有著較大的實用價值。因此非線性振動特性分析可以作為結(jié)構(gòu)損傷檢測的一種手段，或者與其它

7、方法聯(lián)合應(yīng)用。在分析中發(fā)現(xiàn)：
　　a．盲源分離技術(shù)采用多個通道的信號，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)合小波軟閾值去噪，較好地處理了噪聲的干擾問題，并且避免了短時傅氏變換中的經(jīng)驗性窗口寬度選擇，可操作性強(qiáng)，健壯性好。
　　b．在對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁的分析中發(fā)現(xiàn)：隨著損傷程度的增加，結(jié)構(gòu)的頻率不是單調(diào)降低，出現(xiàn)了頻率往復(fù)的現(xiàn)象。如果通過基于線性振動的模態(tài)識別得到的結(jié)構(gòu)頻率變化來判斷損傷程度的改變，則會出現(xiàn)誤判。對于橋梁結(jié)構(gòu)，其實測頻率經(jīng)常受到