基于在线自适应追踪技术的先进结构损伤识别方法研究

在强烈地震等重大事件发生后，迫切需要对桥梁建筑等土木结构损伤及功能状态进行评估。本项研究将发展创新、实用、有效的在线或近乎在线损伤识别方法，利用事件中的响应数据对结构的功能或损伤状态作出快速评估。将从理论上发展先进有效的损伤识别方法，该方法的解析递归解是无条件稳定和收敛。并在此基础上开发基于有限元子结构方法的局部健康监测技术，用于在线识别复杂结构危险部位的局部损伤。还将开展对橡胶隔震支座和基础隔震结构在线损伤识别理论和实验研究，探索合适的迟滞非线性模型及其损伤退化模型。本项目所要开发的创新有效的损伤识别方法具有：1）适用于线性及非线性结构；2）适用于在线或近乎在线损伤识别；3）仅使用有限的响应与激励测量识别和追踪结构损伤；4）应用有限元子结构技术检测局部损伤。本项研究所提出并发展的在线损伤识别方法还需要进行一系列实验研究，验证所开发新方法在线损伤识别与追踪结构参数变化能力的有效性和准确性。

近期，地震等自然灾害的发生愈加频繁，在这些重大事件发生后，能够快速有效地对楼房、桥梁等土木工程建筑的安全及功能状态进行在线评估是结构健康监测领域一项有待解决的课题。结构健康监测系统的一个重要环节是传感器数据的在线处理，然而，这个环节在多次学术会议上被认为是健康监测系统最为薄弱的环节。本项研究发展了创新的基于约束优化算法的自适应损伤追踪技术，该技术能够在线追踪结构参数的变化，识别结构损伤，包括损伤发生的时间、位置和程度。基于自适应损伤追踪技术，分别发展了自适应广义卡尔曼滤波方法（AEKF）、自适应序贯非线性最小二乘方法（ASNLSE）和自适应二次误差平方和方法（AQSSE），实现了时变系统的在线结构参数识别与损伤追踪。基于上述三种方法，分别推导了输入未知条件下的AEKF方法（AEKF-UI）、输入未知条件下的ASNLSE方法（ASNLSE-UI）和输入未知条件下的AQSSE方法（AQSSE-UI），实现了时变系统的在线结构参数识别与未知输入的同步反演，并追踪结构损伤；还进一步推导了不完全测量条件下的AEKF方法（AEKF-UI-UO）、不完全测量条件下的ASNLSE方法（ASNLSE-UI-UO）和不完全测量条件下的AQSSE方法（AQSSE-UI-UO），实现了含未知输入和未知输出情况下时变系统的在线结构参数识别与损伤追踪，并对这些算法运用的充分必要条件和传感器布置方案进行了探讨。此外，在上述研究的基础上，还将所发展的损伤识别方法与模型缩聚理论和有限元子结构技术相结合，以降低结构健康监测系统所需的传感器数量并实现了结构关键部位的在线监测。基于上述损伤追踪技术，对多种典型的线性系统、非线性系统和迟滞系统等进行了大量的数值仿真研究，验证了所发展的方法的有效性。此外，还对三层框架结构、悬臂梁结构、空间桁架结构、单层基础隔震结构和三层基础隔震结构等进行了大量的多工况情况下的振动实验研究。在此过程中，对用以描述隔震结构动力学特性的Bouc-Wen迟滞非线性模型的参数特性及模型简化可行性进行了探讨，以更好地实现迟滞系统的参数识别。在实验过程中，提出了创新的刚度元件装置用以在线模拟不同时刻、不同位置和不同程度的结构损伤的发生。实验研究结果表明本项目所发展的方法均能够有效地识别结构参数并追踪结构损伤。本项研究为结构健康监测系统中的损伤识别技术在实际工程中的应用提供了创新有效的途径。