结构健康监测中的几个基本问题及其进展

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结构健康监测的学术特点
• 涉及材料科学、仪器仪表与测试技术、信号处 理、计算机科学与技术、通讯技术、大型结构 分析、结构动力学、结构可靠度等多门学科领 域，具有明显的学科交叉和融合特征。 • 健康监测系统集智能传感元件、数据无线采集 和实时处理、结构损伤识别、健康诊断与可靠 性预测以及远程通讯与数据管理等硬软件系统 于一体，是工程理论发展与综合的象征、高新 技术开发与集成的标志，同时也是现代结构实 验技术的集中体现。
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1、工作模态参数识别
Stochastic Subspace Identification in Time-Domain
• Input is replaced by process noise wk and measurement noise vk in discrete-time state space model of a dynamic system;
• Traffic has to be shut down for a rather long time. This could be a serious problem for intensively used bridges. • The need to identify modal models under operational conditions often arises for the on-line monitoring.
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1、工作模态参数识别
Output-Only Modal Analysis: A GUI for MATLAB
• A Graphical User Interface (GUI) for output-only modal analysis is developed; • The simple peak-picking method as well as the more advanced stochastic subspace method are implemented in a user-friendly way. • By pushing buttons the user is guided through the whole process of output-only modal analysis: converting measurements to engineering units, preprocessing the data, system identification, gluing mode shape parts together, animating mode shapes, . . .
• Based on a discrete-time state space model of a dynamic system; • Identify the state space matrices based on the measurements and then determine modal parameters;
• Peak-picking from power spectral densities (PSDs);
• Auto Regressive-Moving Average (ARMA) model based on discrete-time data;
• Natural excitation technique (NExT);
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1、工作模态参数识别
环境（自然）激励的优点

天然、方便和便宜和的激励方式； 更符合实际情况和边界条件；
可以实现对结构的实时安全监测。
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1、工作模态参数识别
环境激励的缺点
结构动力响应测试数据，具有幅值小、随机性强的 特点；
• 对这些特征进行（统计）分析，确定结构目 前的健康状况；
• 剩余寿命分析。
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结构健康监测系统的组成
• 高性能智能传感元件、无线传感网络与信号采 集系统，数据挖掘，多参量、多传感元件监测 数据智能处理与数据动态管理方法，结构实时 损伤识别、定位与模型修正，结构实时健康诊 断、安全预警与可靠性预测。 • 一个长期监测的结构相当于长期试验的结构， 而且是足尺的、现场长期试验的结构，其监测 结果对于研究和把握结构损伤演化规律、灾变 行为和安全状态具有重要的科学与现实意义。
• These noises are assumed to be the white noise; • The QR factorization results in significant data reduction; • The singular value decomposition (SVD) is used to reject the noise (represented by the smaller singular values); • Once mathematical state space model is identified, it is straightforward to determine the modal parameters (by an eigenvalue decomposition).
1、工作模态参数识别
Problems with Civil Engineering Structures
• It is extremely difficult to realize the excitation on a large-scale structure. Some heavy forced excitations become very expensive.
记录时间长，数据量巨大； 系统识别是仅由输出数据的系统识别方法 (Output-only System Identification) ；
给结构系统的识别带来很大的难度。
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1、工作模态参数识别
Output-Only SI Methods
There have been several ambient vibration SI techniques available that were developed by different investigators or for different uses such as:
1、工作模态参数识别
Free Vibration Excitations
Bump and Brake http://bridge.csu.edu.cn
1、工作模态参数识别
Free Vibration Excitation-Weight Released
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结构健康监测中的几个基本问题
• 环境振动（工作）模态参数识别；
• 结构损伤识别；
• 有限元模型修正； • 传感器。
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1、环境振动（工作）模态参数识别
• 在研究重大结构灾变行为和健康监测时， 首先遇到的关健问题之一就是正确地识别 或监测结构工作时的特性。 • 模态参数（频率、振型和阻尼比）是结构 固有的动力学特性。 • 基于结构动力的结构健康监测就是监测结 构动力特性的变化。
• The reference signal is used as an "input" and FRFs and coherence functions are computed for each measurement point with respect to reference point. • The most popular, mainly due to their simplicity and processing speed, and also for historical reasons. • Involve averaging temporal information, thus discarding most of their details; • Always a real modal analysis.
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1、工作模态参数识别
Time-Domain SI Techniques
• Directly work with time data, without the need to convert them to correlations or Biblioteka Baidupectra;
• 自 90 年代开始，提出了旨在保证结构安全、耐 久的“结构健康监测”的概念，并在一些建成和 在建的跨江、跨海大型桥梁和大型结构上，安装 了和待安装结构长期健康状态监测系统，投资动 辄在千万元以上。
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结构健康监测的一般过程
• 在一个较长时间段内通过一些传感器对系统 的响应进行采集； • 从这些响应信号中提取出对结构损伤比较敏 感的特征；
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1、工作模态参数识别
竖向激振器-Shakers
Vertical, 5kN , 2.3<f<100Hz
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Power generator
1、工作模态参数识别
横向激振器-Shakers
Horizontal, 32kN, 1.5<f<100Hz http://bridge.csu.edu.cn
• Need robust numerical techniques factorization or least squares;
• It is always complex modes.
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such
as
QR-
1、工作模态参数识别
Peak-Picking in Frequency-Domain
• The simplest approach to estimate the modal parameters of a structure subjected to ambient loading. • The FRFs are simply replaced by the auto spectra of the ambient outputs without the real FRFs computed. • the natural frequencies are simply determined from the observation of the peaks of the average normalized power spectral densities (ANPSDs) obtained by a discrete Fourier transform (DFT). • Mode shapes are simply replaced by operational deflection shapes.
• Stochastic subspace methods et al.
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1、工作模态参数识别
Frequency-Domain SI Techniques
• Based on the fact that FRFs goes through an extreme around the natural frequencies.
结构健康监测中的几个基本 问题及其进展
任 伟 新 博士
中南大学土木建筑学院
“长江学者奖励计划”特聘教授 桥梁与隧道工程博士生导师
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结构健康监测基本概念
• 随着结构分析理论、施工技术、材料性能的迅速 发展，结构跨度越来越大，结构越来越柔，不仅 要求精确严密的计算与施工技术，而且对结构建 成后的安全运营提出了更高的要求；
土木工程结构动力试验方法

强迫振动试验法;
自由振动试验法; 环境振动试验法。

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1、工作模态参数识别
力锤激励－Hammer
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1、工作模态参数识别
Hammer excitation is ready to go
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1、工作模态参数识别
系统识别
系统识别的含义：
输入 激励 工程结构系统 输出 响应
[M]，[C]，[K]
传统系统识别的不足：
• •
需要专用的系统激励设备； 必须封闭线路，无法实现实时的安全监测；
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1、工作模态参数识别