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时域结构参数识别及其网络化实现
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摘要
大量工业与民用建筑和社会基础设施在长期的服役过程中受到使用荷载及各种自然和人为因素的作用,不断出现损伤累积和功能退化,极端情况下甚至引发突发性灾难。对结构健康状况和损伤进行有效的评估已经成为国际土木工程界面临的一项紧迫课题,其中结构参数和损伤识别是其关键和核心问题之一。
     人工神经网络由于具有能以任意精度逼近任何线性和非线性函数关系的能力而在土木工程相关领域中得到了广泛的应用,包括结构参数识别和损伤评估。但以往基于神经网络和结构响应时间序列的结构损伤识别方法往往只能给出定性的结论而不能得出定量的结论,本文提出了一种基于神经网络和结构加速度响应时程的结构参数和损伤识别方法,并通过模型结构实验得到验证。另一方面,由于远程结构健康监测具有自动、实时、在线的特点,是对实际工程结构进行监测的重要课题。本文对湖南大学土木工程学院研究开发的网络结构实验室(Networked Structural Laboratory, NetSLab)的通讯平台进行升级,实现了结构动力响应测量时间序列远程传输,并与本文提出的结构参数和损伤识别方法相结合,为实现远程在线监测提供了一个新工具。
     本文首先回顾了传统的结构损伤检测和基于振动的损伤识别方法,并对人工神经网络在土木工程中的应用进行了总结。其次,提出了一种直接运用结构动力响应测量、基于神经网络的时域结构参数直接识别方法,并采用振动台实验的实测加速度响应对此方法进行验证。基于结构运动方程的离散解,对参数识别方法的理论基础以及两个神经网络的构建依据进行了阐明。为了对目标结构进行参数识别,首先假定一个参考结构并构建一个神经网络来描述参考结构的加速度响应时间序列之间的映射关系,即建立参考结构的非参数模型。然后,定义加速度响应预测差值均方根向量作为评价指标用于参数识别,并构建参数识别用神经网络来描述评价指标与结构参数之间的关系。编制了相关程序,运用一个框架结构模型振动台实验的加速度响应实测时间序列对模型的结构参数进行了识别。同时对此框架模型的损伤状态下的结构参数进行了识别。结果表明该方法具有较高的识别精度,识别结果可靠。最后,介绍了网络结构实验室的通讯平台,并进行了相关程序编制工作。对一个框架结构模型振动台实验的加速度响应时程,采用该通讯平台进行了远程数据传输试验。结果表明,该通讯平台能可靠的运行,具有实际应用的前景。
Many civil infrastructures are now deteriorating due to aging, misuse, lacking proper maintenance, and, in some cases, overstressing as a result of increasing load demands and changing environments. Failure of these infrastructures often leads to a high social consequence. It is therefore critical to evaluate their current reliability, performance, and condition for the prevention of potential catastrophic events. Structural identification and damage detection have become an increasingly important research topic for health monitoring, performance assessment and safety evaluation of engineering structures.
     On one hand, because of the ability to approximate arbitrary continuous functions, neural networks have drawn considerable attention in civil engineering for identification in a non-parametric manner. However, because of the nonparametric characteristics, most of the proposed methods for structural health monitoring and damage detection with neural networks can just be used to give a qualitative indication or information that damage might be present in the structure, no quantitative identification can be determined. On the other hand, remote structural health monitoring system can provide abundant information for structural identification and damage detection due to its self-monitoring, long-term and on-line characteristics, and it has been applied in some important infrastructures. A networked structural laboratory (NetSLab) platform originally for networked remote collaborative test has been developed at Hunan University recently. The NetSLab platform provides a potential way for remote data transformation. In this study, modifications have been made on the developed NetSLab platform in order to realize structural dynamic response time series measurement transfer.
     Firstly, a comprehensive review on the traditional damage detection techniques, vibration-based global identification methodologies, and the application of artificial neural network in civil engineering are made. Secondly, a novel two neural networks based structural parameters identification methodology with the direct use of structural acceleration time series is proposed and validated by a shaking table test of a model structure. The rationality of the methodology is explained and the theory basis for the construction of the two neural networks is described according to the discrete time solution of the state space equation. An evaluation index called the root mean square of the acceleration prediction difference vector (RMSAPDV) is defined and employed to identify structural parameters. Based on the trained acceleration-based neural network modeling for a reference structure, and the parameter evaluation neural network that describes the relation between structural parameters and the components of the corresponding RMSAPDVs, the structural parameters of the model frame structure with known mass distribution are identified by the direct use of acceleration measurements. Results show that structural parameters can be identified with acceptable accuracy. The performance of the proposed methodology for a damaged model structure is also studied. Finally, after the updating of the NetSLab, a networked structural parameters identification system based on the novel identification methodology and the updated network platform is developed and test on remote time series file transfer is carried out. Results show that the updated network platform has the potential of becoming a practical tool for remote health monitoring of civil infrastructures.
引文
[1] 周 智 , 欧 进 萍 . 土 木 工 程 智 能 健 康 监 测 与 诊 断 系 统 . 传 感 器 技 术 ,2001, 20(11):1-4
    [2] 刘西拉,袁驷,宋二祥. 关于我国工程建设技术发展的战略思考. 土木工程学报,2005, 38(12):1-7
    [3] 金磊. 韩国“三丰”大厦倒塌后的技术与管理思考. 国外建筑科学,1995, 13(4):49-51
    [4] 袁慎芳. 结构健康监控. 北京:国防工业出版社,2007, 2,17-18, 14,15-16,124- 144,154-160
    [5] Housner G W, Bergman L A, Caughey T K et al. Structural Control: Past, Present and Future. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1997, 123(9):897-971
    [6] 欧进萍. 重大工程结构的智能监测与健康诊断.工程力学, 2002,(增刊): 35-41
    [7] 冯新,李国强,周晶. 土木工程结构健康诊断中的统计识别方法综述. 地震工程与工程振动,2005, 25(2):106-113
    [8] 孙鸿敏,李宏男. 土木工程结构健康监测研究进展. 防灾减灾工程学报,2003, 23(3):92-98
    [9] Yun C B, Bahng E Y. Substructural identification using neural networks. Computers and Structures, 2000, 77(1):41-52
    [10] Xu B, Wu Z S, Chen G D et al. Direct identification of structural parameters from dynamic responses with neural networks.Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2004, 17(8): 931-943
    [11] Xu B, Wu Z S, Yokoyama K et al.A soft post-earthquake damage identification methodology using vibration time series.Smart Materials and Structures, 2005, 14(3):116-124
    [12] Xu B, Chen G D, Wu Z S. Parametric identification for a truss structure using axial strain. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2007, 22(3): 34-46
    [13] Wu Z S, Xu B, Yokoyama K. Decentralized parametric damage based on neural networks. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2002, 17(3): 175-184
    [14] Xu B, Wu Z S, Yokoyama K. A localized identification method with neural networks and its application to structural health monitoring.Journal of StructuralEngineering, JSCE, 2002, 48(1):419-428
    [15] 张德海,朱浮声. 结构损伤智能诊断研究进展. 力学与实践,2003,25(4):1-6
    [16] 杜涛,崔士起,张秀芹等.钢结构焊缝超声波探伤结果影响因素的介绍. 四川建筑科学研究,2007,33(4):110-112
    [17] 中国工程建设标准化协会. CECS21-2000 超声法检测混凝土缺陷技术规程.北京:人民交通出版社,2000,6-30
    [18] 刘亚南. 混凝土超声无损检测技术的应用.土工基础,2007,21(4):77-80
    [19] 唐伟. 浅谈混凝土灌注桩完整性超声波检测技术. 北方交通,2007,12(8):54-56
    [20] 袁海军. 钢结构焊缝的射线探伤及钢材锈蚀和防火涂层厚度的检测.工程质量,2004,10(5):51-53
    [21] 刘清元,王勇. 钢管混凝土拱桥钢结构焊缝的检测. 铁道建筑,2004,16(4):7-9
    [22] 梅林,张广明,王裕文. 红外热成像无损检测技术及其应用现状. 无损检测, 1999, 21(10):466-468
    [23] 韩继红,张雄. 冻融破坏混凝土红外热像特征及损伤程度评定. 无损检测, 1998,20(12):346-347
    [24] 李冬生,欧进萍. 声发射技术在拱桥吊杆损伤监测中的应用. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2007,23(1):6-10
    [25] 王慧晶,林哲,赵德有. 声发射技术在工程结构疲劳损伤监测中的应用和展望. 振动与冲击,2007,26(6):157-161
    [26] 涂文戈,邹银生,陈理庆等. 雷达波在混凝土无损伤检测中的应用. 建筑科学与工程学报,2007,24(3):82-86
    [27] Sohn H, Farrar C R. Damage diagnosis using time series analysis of vibration signals.Smart Materials and Structures, 2001,10(3):446-451
    [28] 周浩敏. 信号处理技术基础. 北京:北京航空航天大学出版社,2001,1-5
    [29] 姚天任,江太辉. 数字信号处理. 武汉:华中科技大学出版社,2000,1-10
    [30] 王济,胡晓. MATLAB在振动信号处理中的应用. 北京:中国水利水电出版社, 2006,30-54
    [31] 陈隽,徐幼麟. HHT方法在结构模态参数识别中的应用. 振动工程学报,2003, 16(3):383-388
    [32] 徐士代,汪凤泉. 基于 ARMA 模型识别工程结构模态参数. 工业建筑, 2007, 35(5):20-22
    [33] 李惠彬,秦权,钱良忠. 青马悬索桥的时域模态识别. 土木工程学报, 2001, 34(5):53-61
    [34] 姜绍飞. 基于神经网络的结构优化与损伤检测.北京:科学出版社, 2002, 110-1 14,20-22,23-25,28-40,67-71,41-42,42-46,74-77,117-118
    [35] 宗周红,任伟新,阮毅. 土木工程结构损伤诊断研究进展. 土木工程学报,2003, 36(5):105-110
    [36] Doebling S W, Farrar C R, Prime W B. A summary review of vibration-based damage identification methods. The Shock and Vibration Digest, 1998, 30(2):91-105
    [37] 李惠彬,郑兆昌,应怀樵. 对国内外桥梁损伤诊断几种方法的评述. 工程力学, 1998, (增刊):407-414
    [38] 冯新,李国强,范颖芳. 几种常用损伤动力指纹的适用性研究. 振动、测试与诊断,2004, 24(4):277-280
    [39] 黄方林,王学敏,陈政清等. 大型桥梁健康监测研究进展.中国铁道科学,2005, 26(2):1-6
    [40] 杨 建 刚 . 人 工 神 经 网 络 实 用 教 程 . 杭 州 : 浙 江 大 学 出 版 社 ,2000, 5-6,9-10,26-40,12-13,41-62,63-111
    [41] Rumelhart D E, Hinton G E, Williams R J. Learning representation by back-propagating errors. Nature, 1986, 323(9): 533-536
    [42] Barai S V, Pandey P C. Vibration signature analysis using artificial neural network. Journal of Computing in Civil Engineering, 1995, 9(4):259-265
    [43] 高行山,李红达,叶天麒. 结构分析和设计中神经网络计算研究评述.计算力学学报, 2000, 17(2):223-227
    [44] Hajela P. Neurobiological computational models in structural analysis and design. Computers and Structures, 1991, 41(4):657-667
    [45] 姜绍飞. 基于神经网络的结构分析与设计.沈阳建筑工程学院学报(自然科学版),2001, 17(10):255-258
    [46] 朱劲松,肖汝诚. 大跨度 PC 斜拉桥结构快速分析神经网络模型. 中国铁道科学,2007,28(1):33-38
    [47] 刘西拉,李楚舒. 基于神经网络的高层建筑结构体系选择.建筑结构学报,1999, 20(5):36-41
    [48] 陆金桂. 基于神经网络的结构分析与优化技术研究进展. 江苏力学,1996, 6(11):41-44
    [49] 姜绍飞,贾连光,于军. 基于神经网络的桁架结构优化设计. 东北大学学报(自然科学版),2003, 24(2):166-169
    [50] 雷铁安,吴作伟,杨周妮. 基于改进算法的多层神经网络的结构优化设计. 大连铁道学院学报,2004, 25(3):49-52
    [51] 林广平,黄卫,方么生等. 基于 BP 神经网络的正交异性钢桥面系多目标结构优化设计. 公路交通科技,2005, 22(5):83-86
    [52] 文毅 ,武广号 . 遗传算法与神经网络协作求解结构优化问题 .土木工程学报,1996, 29(5):24-29
    [53] Adeli H, Park H S. Optimization of space structures by neural dynamics. Neural Networks, 1995, 8(5):769-781
    [54] Adeli H, Park H S. Hybrid CPN-neural dynamics model for discrete optimization of steel structures. Microcomputers in Civil Engineering, 1996, 11(5):355-366
    [55] 欧进萍. 结构振动控制-主动、半主动和智能控制.北京:科学出版社, 2003,1-10
    [56] 李宏男 ,阎石 ,林皋 . 智能结构控制发展综述 . 地震工程与工程振动 ,1999, 19(2):29-35
    [57] Xu B, Wu Z S, Yokoyama K. Neural networks for decentralized control of cable-stayed bridge. Journal of Bridge Engineering, ASCE, 2003, 8(4): 229-236
    [58] Xu B, Wu Z S, Yokoyama K et al. Decentralized control of a cable-stayed bridge using multi-layer neural networks. Transactions of Japan Society of Computational Engineering and Science, JSCES, 2001, 3(1): 75-85
    [59] Xu B, Wu Z S, Yokoyama K et al. Adaptive localized control of structure-actuator coupled system using multi-layer neural networks. Journal of Structural Mechanics and Earthquake Engineering, JSCE, 2001, 18(2): 81-93
    [60] 杨晓林,郭玉田. 基于神经网络的工程估价系统研究. 哈尔滨建筑大学学报,2002, 35(2):117-120
    [61] Zhao J, Ivan J N, Dewlof J T. Structural damage detection using artificial neural networks. Journal of Infrastructure Systems, 1998, 4(3): 93-101
    [62] 胡勇,崔灵珍,秦真等. 基于 GA-BP 和 GA-RBF 网络的结构损伤识别. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2006, 28(4):48-50
    [63] 饶文碧,李卓球,吴代华. 基于 RBF 神经网络的结构动力损伤识别. 工程力学,1999,(增刊):606-609
    [64] Wang G H, Wu H G, Hu L H. Study on the method of bridge structural damage identification based on RBF neural network. 兰州交通大学学报(自然科学版),2006, 25(4):18-23
    [65] Sohn H, Law K H. A bayesian probabilistic approach for structure damage detection. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1997, 26(12): l259-l281
    [66] 王柏生,倪一清,高赞明. 用概率神经网络进行结构损伤位置识别.振动工程学报,2001, 14(1): 60-64
    [67] 姜绍飞,倪一清,高赞明. 基于概率神经网络的青马悬索桥损伤定位的仿真研究. 工程力学,2001,(增刊): 965-969
    [68] 杨晓楠,姜绍飞,王金鱼. 基于能量特征的小波概率神经网络损伤识别方法. 兰州理工大学学报,2005, 31(3):123-126
    [69] 姜绍飞,张帅,杨晓楠. 自适应小波概率神经网络损伤识别方法. 沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006, 22(1):45-48
    [70] Stefano A D, Sabia D, Sabia L. Probabilistic neural networks for seismic damage mechanisms prediction. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1999, 28(8): 807-821
    [71] 杨英杰,虞和济. 结构损伤状态识别的神经网络方法. 东北大学学报, 1994, 15(2):210-213
    [72] 袁慎芳,陶宝祺,王昕. 双 BP 网络在损伤评估智能结构中的应用. 实验力学, 1998, 13(2):175-178
    [73] 杨杰,李爱群,缪长青. BP 神经网络在大跨斜拉桥的斜拉索损伤识别中的应用. 土木工程学报,2006, 39(5): 72-77
    [74] 周仙通,王柏生,倪一清. 用神经网络和优化方法进行结构参数识别. 计算力学学报,2001, 18(2):235-238
    [75] 陈素文,李国强. 基于 BP 网络的框架结构损伤的多重分步识别理论. 地震工程与工程振动,2002, 22(5):18-22
    [76] 李忠献,杨晓明,丁阳. 应用人工神经网络技术的大型斜拉桥子结构损伤识别研究. 地震工程与工程振动,2003, 23(3):92-99
    [77] 邱颖,任青文,叶海靖. 基于小波变换与神经网络的结构损伤检测. 河海大学学报(自然科学版),2004, 32(3):294-298
    [78] 沈东强,徐礼华,龚建伍. 基于 BP 网络的结构损伤识别. 武汉理工大学学报,2004, 26(9):48-50
    [79] 金虎,楼文娟. 基于位置和程度指标的结构损伤识别研究. 浙江大学学报(工学版),2006, 40 (8):1393-1398
    [80] Wu X, Ghaboussi J, Garrett J H. Use of neural networks in detection of structural damage. Computers and Structures, 1992, 42(4):649-659
    [81] Kudva J N, Munir N, Tan P W. Damage detection in smart structures using neural networks and finite-element analyses. Smart materials and Structures, 1992, 1(2):108-112
    [82] Elkordy M F, Chang K C, Lee G C. Neural networks trained by analytically simulated damage states. Journal of Computing in Civil Engineering, ASCE, 1993, 7(2):130-145
    [83] Chassiakos A G, Masri S F. Identification of structural systems by neural networks. Mathematics and Computers in Simulation, 1996, 40(5):637-656
    [84] Worden K. Structural fault detection using a novelty measure. Journal of Sound and Vibration, 1997, 201(1):85-101
    [85] Nakamura M, Masri S F, Chassiakos A G et al. A method for non-parametric damage detection through the use of neural networks. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 1998, 27(6):997-1010
    [86] Masri S F, Smyth A W, Chassiakos A G et al. Application of neural networks for detection of changes in nonlinear systems. Journal of Engineering Mechanics, 2000, 126(7):666-676
    [87] Tsai C H, Hsu D S. Diagnosis of reinforced concrete structural damage base on displacement time history using the back-propagation neural network technique. Journal of Computing in Civil Engineering, ASCE, 2002, 16(1):49-58
    [88] Lee C G, Yun C B. Parameter identification of linear structural dynamic systems. Computers and Structures, 1991, 40(6): 1475-1487
    [89] R 克拉夫, J 彭津.结构动力学.王光远等译. 第二版.北京:高等教育出版社,2006, 183-192
    [90] Anil K Chopra.结构动力学理论及其在地震工程中的应用.谢礼立,吕大刚等译.第二版.北京:高等教育出版社,2007, 338-347
    [91] 中华人民共和国建设部. GB50011-2001 建筑抗震设计规范. 北京:中国建筑工业出版社,2001, 28-30
    [92] 爱德华.L.威尔逊.结构静力与动力分析-强调地震工程学的物理方法.北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院译.第四版.北京:中国建筑工业出版社,2006, 201-208
    [93] 唐有刚. 高等结构动力学.天津:天津大学出版社,2002, 183-196
    [94] 北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院. SAP2000中文版使用指南. 北京:人民交通出版社,2006, 306-310
    [95] 符欲梅 ,陈伟民 ,朱永等 . 桥梁远程状态自动监测技术的研究 . 公路 ,2002, 30(4):66-70
    [96] 符欲梅,朱永,陈伟民等. 桥梁远程状态自动监测系统的研究、开发及实际应用. 土木工程学报,2003, 36(2): 91-94
    [97] 朱永,符欲梅,陈伟民等. 大佛寺长江大桥健康监测系统. 土木工程学报,2005, 38(10):66-71
    [98] 符欲梅,朱永,陈伟民等. 大佛寺长江大桥远程状态监测系统开发及实现.公路,2005, 33(12):105-109
    [99] 欧进萍. 重大结构智能传感网络与健康监测系统的研究与应用. 中国科学基金会,2005, 19(1):8-12
    [100] 李惠,欧进萍. 斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现(II):系统实现. 土木工程学报,2006, 39(4):45-52
    [101] 肖岩,胡庆,郭玉荣等. 结构拟动力远程协同试验网络平台的开发研究. 建筑结构学报,2005, 26(3):123-129
    [102] 茹继平,肖岩. 美国地震工程模拟网系统 NEES 计划及在我国实现远程协同结构试验的设想. 建筑结构学报,2002, 23(6):91-94
    [103] Xiao Y, Hu Q, Guo Y R et al. Network platform for remote structural testing and shared use of laboratories. Progress in Natural Science, 2005, 15(12): 1135-1142
    [104] 范云蕾,郭玉荣,肖岩. 远程拟动力试验平台的开发. 建筑科学与工程学报,2005, 22(4):22-26

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