大型空間結(jié)構(gòu)施工損傷監(jiān)測與預(yù)警機制研究

當前我國的大型空間結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測技術(shù)還相對薄弱，遠遠落后于工程監(jiān)測需求。而由于結(jié)構(gòu)施工損傷造成的大量施工事故給國家的生產(chǎn)建設(shè)與人民的生命安全帶來了嚴重的傷害。本項目主要通過理論分析、硬件研發(fā)、軟件開發(fā)、實驗研究及工程案例應(yīng)用等手段實現(xiàn)大型空間結(jié)構(gòu)施工過程中的損傷分析、監(jiān)控及預(yù)警。具體研究內(nèi)容包括:（1）建立大型鋼結(jié)構(gòu)工程施工狀態(tài)評估理論體系。針對不同的鋼結(jié)構(gòu)形式與不同的施工方法，歸納其力學(xué)分析方法上的共性規(guī)律以及具體區(qū)別，建立施工結(jié)構(gòu)模型并進行施工多階段力學(xué)分析，然后基于靜動力參數(shù)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)識別、模型重構(gòu)及損傷演化分析，建立基于多參數(shù)、多層次的綜合安全評估理論。（2）研究基于荷載與自身敏感性的傳感器優(yōu)化布置技術(shù)。結(jié)合空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自身的特點，從敏感性分析角度出發(fā)，對結(jié)構(gòu)進行分析，提出了荷載敏感性的概念和評價公式，隨后提出了基于自身敏感性常用的兩種方法：蒙特卡羅法和正交試驗法，并分析了兩種方法各自的優(yōu)缺點及適用性。（3）研究新型無線傳感標準化與模塊化設(shè)計技術(shù)。在現(xiàn)有小體積、低功耗空間分布式無線傳感設(shè)備基礎(chǔ)上，進一步進行硬件性能測試與完善，主要側(cè)重于硬件標準化與模塊化改進，將基本模塊固定化的同時增強拓展模塊的靈活性與拓展性，同時進一步改進產(chǎn)品能耗與休眠機制，大大增強了設(shè)備的穩(wěn)定性以及持續(xù)工作的能力。（4）研究基于調(diào)頻廣播整點校時的傳感器采集時間同步性技術(shù)。提出了一種基于調(diào)頻廣播整點校時的傳感器采集時間同步性機制，并設(shè)計了整點校時電路，由基本時間同步模塊、低功耗信號處理模塊和校時同步模塊組成，基本可實現(xiàn)傳感器采集時間的微秒級同步性能。（5）研究智能組網(wǎng)與遠程監(jiān)控技術(shù)。主要研究適用于大面域、大范圍布置特點的各類網(wǎng)絡(luò)拓撲，可針對不同的結(jié)構(gòu)體量和傳感器節(jié)點分布情況選擇不同的組網(wǎng)方式，并且組建的網(wǎng)絡(luò)高效、穩(wěn)定，基本實現(xiàn)了可自由拓展和收縮。（6）研究智能結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算理論與控制技術(shù)。主要研究了智能張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與控制理論，借用仿生思想，研究了集成無線傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的智能結(jié)構(gòu)及其形狀控制技術(shù)。課題研究成果在經(jīng)過實驗室驗證后，已經(jīng)被成功的應(yīng)用于如大型體育場館，火車站，高層鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)連廊等各種類型的7項大型鋼結(jié)構(gòu)工程中，為發(fā)展大型空間結(jié)構(gòu)施工安全監(jiān)控技術(shù)和防止國家重大工程建設(shè)事故作出貢獻。 2100433B

我國正處于大型空間結(jié)構(gòu)建設(shè)的高潮期，由于結(jié)構(gòu)施工損傷造成的大量施工事故給國家的生產(chǎn)建設(shè)與人民的生命安全帶來了嚴重的傷害，即使不發(fā)生事故的也為結(jié)構(gòu)日后的正常運營埋下了安全隱患。而目前的大型空間結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測技術(shù)還相對薄弱，遠遠落后于工程監(jiān)測需求。本項目將通過理論分析、硬件研發(fā)、軟件開發(fā)、實驗研究及工程案例應(yīng)用等手段實現(xiàn)大型空間結(jié)構(gòu)施工過程中的損傷分析、監(jiān)控及預(yù)警，揭示此類結(jié)構(gòu)施工損傷的位置、程度、演化機理及共性規(guī)律；開發(fā)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為硬件基礎(chǔ)的專業(yè)施工監(jiān)控技術(shù)；形成科學(xué)的預(yù)警機制，并開發(fā)專業(yè)的軟件操作系統(tǒng)；在經(jīng)過實驗室驗證后，應(yīng)用于大量實際工程建設(shè)中，為發(fā)展大型空間結(jié)構(gòu)施工安全監(jiān)控技術(shù)和防止國家重大工程建設(shè)事故作出貢獻。

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有高密集模態(tài)的動力特性，一旦結(jié)構(gòu)存在失諧，即有可能出現(xiàn)模態(tài)局部化現(xiàn)象和模態(tài)躍遷現(xiàn)象。因此，對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行損傷監(jiān)測研究，應(yīng)首先對損傷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性開展研究，然后以此作為依據(jù)開展損傷監(jiān)測方法的研究工作，這將更具有實際意義和應(yīng)用價值?；谝陨峡紤]，本項目借鑒國內(nèi)外結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測領(lǐng)域的新方法和新技術(shù)，結(jié)合空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的本質(zhì)動力特性，開展了如下研究：1) 采用攝動法對模態(tài)局部化和模態(tài)躍遷的發(fā)生機理進行了理論推導(dǎo)和分析，以球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，著重分析了不同剛度或質(zhì)量失諧參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動局部化和模態(tài)躍遷的影響規(guī)律；2) 提出了表征模態(tài)局部化現(xiàn)象的模態(tài)位移局部化因子和模態(tài)應(yīng)變能局部化因子，提出了確定模態(tài)躍遷前后模態(tài)對應(yīng)關(guān)系的模態(tài)置信準則法，并以球面網(wǎng)殼和拱支網(wǎng)殼為算例進行了參數(shù)影響分析；3) 研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的頻率曲線轉(zhuǎn)向現(xiàn)象，提出了簡化模型并進行了理論推導(dǎo)，分析了頻率曲線轉(zhuǎn)向和模態(tài)躍遷之間的關(guān)系；4) 提出了環(huán)境激勵下低階時域方法的統(tǒng)一理論和環(huán)境激勵下高階頻域方法的統(tǒng)一理論，以平面桁架結(jié)構(gòu)為算例進行了仿真分析；5) 提出了僅利用損傷結(jié)構(gòu)信息即可進行結(jié)構(gòu)損傷識別曲率模態(tài)曲面擬合損傷識別理論，對空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行了驗證分析；6) 設(shè)計制作了單層肋環(huán)形球面網(wǎng)殼試驗?zāi)Ｐ停瑴y試了結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，驗證了上述現(xiàn)象和方法。本項目深層次地探討了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)損傷前后的動力學(xué)特性、參數(shù)識別及損傷監(jiān)測理論，具有很強的科學(xué)針對性，研究成果可為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及其他土木工程結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測研究提供借鑒和參考。 2100433B

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是高密集模態(tài)周期性結(jié)構(gòu)，動力特性復(fù)雜，長期服役易產(chǎn)生不同形式的內(nèi)部損傷，對其進行損傷監(jiān)測研究十分必要。本項目針對其動力學(xué)特點，考慮結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致模態(tài)局部化與模態(tài)躍遷影響，以理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗為手段，解決空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測過程中的本質(zhì)科學(xué)問題。研究空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模態(tài)局部化現(xiàn)象的機理，提出定量描述模態(tài)局部化判據(jù)；研究空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模態(tài)躍遷的變化規(guī)律，確定模態(tài)躍遷前后模態(tài)對應(yīng)關(guān)系的判定準則；研究環(huán)境激勵下空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)在線識別方法，建立空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)考慮模態(tài)局部化與躍遷的多階段分區(qū)域損傷監(jiān)測理論。本項目首次探討空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的模態(tài)局部化和躍遷現(xiàn)象，更深層次地探討空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性和損傷監(jiān)測理論。本項目得以完成，將會為進一步研究該結(jié)構(gòu)體系防災(zāi)減災(zāi)理論打下基礎(chǔ)，為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)抗震設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)和理論支持，為提前采取自救措施，避免或減少人民生命財產(chǎn)損失提供有力保障。

第1章橋梁健康監(jiān)測和結(jié)構(gòu)損傷識別技術(shù)

1.1土木工程結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測的重要性

1.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和損傷識別的發(fā)展

1.3國內(nèi)外對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究現(xiàn)狀

1.4大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1.5結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的損傷識別方法

第2章基于小波分析的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略

2.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的關(guān)鍵性問題

2.2多尺度分析理論

2.3小波分析理論

2.4面向?qū)崟r在線監(jiān)測的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測策略

第3章結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的多尺度分析

3.1損傷識別的動力系統(tǒng)模型分析

3.2單自由度模型的結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)多尺度分析

3.3多自由度模型的結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)多尺度分析

3.4結(jié)構(gòu)損傷的時變系統(tǒng)分析及其狀態(tài)空間模型

3.5結(jié)構(gòu)損傷多尺度分析的數(shù)值仿真研究

第4章實時監(jiān)測中的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警

4.1結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警的目的及重要性

4.2多尺度損傷預(yù)警的理論基礎(chǔ)和小波基的選取

4.3應(yīng)用小波分析對測試信號進行去噪的方法

4.4基于小波變換的損傷預(yù)警研究

第5章?lián)p傷特征提取及模式分類方法

5.1結(jié)構(gòu)損傷的模式識別問題

5.2損傷信息的小波包特征提取方法

5.3基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的損傷模式分類

第6章基于信息融合的損傷確認、定位及定量

6.1結(jié)構(gòu)損傷識別中的多傳感器信息融合

6.2損傷識別的耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合算法

6.3結(jié)構(gòu)損傷識別的模型實驗

6.4損傷特征的提取和數(shù)據(jù)層融合

6.5結(jié)構(gòu)損傷的確認、定位及定量

第7章未來的技術(shù)展望

參考文獻2100433B