空间网架结构的损伤识别
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摘要
网架结构是近些年来发展迅速的一种空间结构。这种结构适合于大空间、超大空间建筑，投资巨大，往往是人群密集或配置重要设施的场所。如果发生事故将可能引起重大的经济损失和生命危险。近年来发生了许多大跨度空间结构倒塌的实例。因此，如何检测和监测网架的运行状况有很大的实际意义。结构的检测有静力方法和动力方法，动力方法可以得到结构的频率、振型等参数，便于从整体上把握结构的运行性能，本文主要研究网架检测的动力方法。
本文以一足尺网架模型的试验研究为基础，通过动态测试试验得出网架的频率、振型等动态参数，并根据这些参数分析网架结构损伤检测的模态方法。
以实验网架为分析原型，结合Ansys有限元软件，比较了不同模态指标在网架损伤识别中的有效性，通过添加噪声比较各个指标的抗噪能力。通过比较得出模态应变能方法和最小二乘支持向量机方法结合比较适合网架损伤识别。具体做法是模态应变能初步定位疑似损伤杆件，再结合最小二乘支持向量机对损伤准确定位和定量。通过数值模拟，假设杆件单损伤并添加一定噪声，识别结果证明文中采用的方法是可行的。
最后，考虑到实际检测中，网架结构自由度数目巨大，不可能得到所有自由度上的振动信息，会遇到测量模态不完备的情况，文中分析了传感器的优化布置，以及得到不完备测量数据后如何对网架结构的运行情况进行评估。文中通过单损伤工况，通过比较不同模态扩阶方法，得出采用有效独立法选择自由度，使用动态扩阶得到完备模态，再使用模态应变能和最小二乘支持向量机相结合的方法进行损伤识别能够得到满意的结论。
Steel grid structure, which can fulfil the needs of long-span spatial sructures, has gained growing popularity at home and abroad. As this structure has a large span and can serve many people , an accident will threaten people life and cause huge economic losses and property loss. There are many collapse and accidents of long-span spatial structures in latest years, so it is important to identify and monitor space grid structure. In the field of identification, there are many mature methods which are divided into two parts: Static and Dynamic Methods. It is convenient to get the whole state of structure by dynamic method which is operated by getting the mode parameters such as frequency and mode shape and is more useful for space truss.
In this paper, based on the experiment of a truss, modal methods are used and analysed with the mode parameters such as frequency and mode shape obtained by dynamical tests.
The validity and robustness of different methods are compared by adding white noise to the datum of numerical simulation with Ansys. Results show that the damage of truss can be effectively identified by the method of modal strain energy plus LS-SVM (least-square support vector machine). Modal strain energy is used to identify the probable damage elements and the exact damage location and extent can be attained by using LS-SVM. This method is verified by numerical simulation of a space truss with some nosie.
Finally, optimal sensor placement and how to identify space truss with incomplete mode data are analyzed because it is impossible to get the complete mode data of space truss which has too many elements. Results attained by numerical simulation of signal damage element verify that the method combined by effective independence method, dynamic expansion and LS-SVM is efficient for space truss.
本文以一足尺网架模型的试验研究为基础，通过动态测试试验得出网架的频率、振型等动态参数，并根据这些参数分析网架结构损伤检测的模态方法。
以实验网架为分析原型，结合Ansys有限元软件，比较了不同模态指标在网架损伤识别中的有效性，通过添加噪声比较各个指标的抗噪能力。通过比较得出模态应变能方法和最小二乘支持向量机方法结合比较适合网架损伤识别。具体做法是模态应变能初步定位疑似损伤杆件，再结合最小二乘支持向量机对损伤准确定位和定量。通过数值模拟，假设杆件单损伤并添加一定噪声，识别结果证明文中采用的方法是可行的。
最后，考虑到实际检测中，网架结构自由度数目巨大，不可能得到所有自由度上的振动信息，会遇到测量模态不完备的情况，文中分析了传感器的优化布置，以及得到不完备测量数据后如何对网架结构的运行情况进行评估。文中通过单损伤工况，通过比较不同模态扩阶方法，得出采用有效独立法选择自由度，使用动态扩阶得到完备模态，再使用模态应变能和最小二乘支持向量机相结合的方法进行损伤识别能够得到满意的结论。
Steel grid structure, which can fulfil the needs of long-span spatial sructures, has gained growing popularity at home and abroad. As this structure has a large span and can serve many people , an accident will threaten people life and cause huge economic losses and property loss. There are many collapse and accidents of long-span spatial structures in latest years, so it is important to identify and monitor space grid structure. In the field of identification, there are many mature methods which are divided into two parts: Static and Dynamic Methods. It is convenient to get the whole state of structure by dynamic method which is operated by getting the mode parameters such as frequency and mode shape and is more useful for space truss.
In this paper, based on the experiment of a truss, modal methods are used and analysed with the mode parameters such as frequency and mode shape obtained by dynamical tests.
The validity and robustness of different methods are compared by adding white noise to the datum of numerical simulation with Ansys. Results show that the damage of truss can be effectively identified by the method of modal strain energy plus LS-SVM (least-square support vector machine). Modal strain energy is used to identify the probable damage elements and the exact damage location and extent can be attained by using LS-SVM. This method is verified by numerical simulation of a space truss with some nosie.
Finally, optimal sensor placement and how to identify space truss with incomplete mode data are analyzed because it is impossible to get the complete mode data of space truss which has too many elements. Results attained by numerical simulation of signal damage element verify that the method combined by effective independence method, dynamic expansion and LS-SVM is efficient for space truss.
引文
[1] 梁冰．网架孙损伤识别的动测研究．大连理工大学硕士学位论文．2005
[2] 尹德钰，赵红华．网架质量事故实例及原因分析．建筑结构学报．1998，19(1)：15-23．
[3] 陈长征，罗跃纲，白秉三，唐忠．结构损伤检测与智能诊断．北京：科学出版社，2001
[4] Doebling S W, Farrar C R, Prime M B. Summary Review of Vibration-Based Damage Identification Methods. The Shock and Vibration Digest. 1998, 30 (2): 91-105.
[5] 游春华，基于模态技术的损伤识别，武汉大学硕士学位论文，2005
[6] 李志强，基于结构健康检测理论的构件损伤识别研究，中国海洋大学硕士学位论文，2006
[7] 薛祥，霍达，滕海文。基于空间小波分析的桥梁损伤识别。中外公路，第25卷，第6期，2005年12月
[8] Cawley P, Adams R D. The Locations of Defects in Structures Form Measurements of Natural Frequencies. Journal of Strain Analysis. 1979, 14 (2): 49-57.
[9] Stubbs N, Osegueda R. Global Non-Destructive Damage Evaluation in Solids. The international journal of analytical and experimental modal analysis. 1990, 5 (2): 67-79.
[10] Stubbs N, Osegueda R. Global Damage Detection in Solids-Experimental Verification. The international journal of analytical and experimental modal analysis. 1990, 5 (2): 81-97.
[11] 岳艳芳，基于动力分析的结构损伤检测方法研究，东南大学硕士学位论文，2004
[12] Allemany R J, Brown D L. A Correlation Coefficient for Modal Vector Analysis. Proc. of the 1st IMAC, 1982: 100-116.
[13] Lieven N A, Ewins D J. Spatial Correlation of Mode Shape, the Coordinate Modal Assurance Criterion(Comac). Proc. of the 6the IMAC, 1988: 690-695.
[14] Pandey A K, Biswas M, Samman M M. Damage Detection from Changes in Curvature Mode Shapes. Journal of Sound and Vibration. 1991, 145: 312-332.
[15] 李国强，梁远森，振型曲率在板类结构动力检测中的应用．振动、测试与诊断。第24卷第2期，2004年6月。
[16] 王山山，任青文，基于曲率模态振型的刚架结构损伤检测，动力学与控制学报，第3卷第2期，2005年6月。
[17] Shi Z Y, Law S S, Zhang L M. Structural Damage Localization from Modal Strain Energy Change. Journal of Sound and Vibration. 1998, 218 (5): 825-844.
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[20] 史治宇，吴令毅．由模态应变能法诊断结构破损的实验研究．东南大学学报，第29卷第2期，1999 年3月．
[21] 王根会，胡良红，基于单元模态应变能法的桥梁结构损伤识别研究．铁道学报，第28卷第3期，2006年6月．
[22] 袁明，贺国京．基于模态应变能的结构损伤检测方法研究．铁道学报，第24卷第2期 2002年4月
[23] Alvandi A, Cremona C. Assessment of Vibration-Based Damage Identification Techniques. Journal of Sound and Vibration. 2006, 292 (1-2): 179.
[24 赵媛，陆秋海．简支梁多位置损伤的检测方法．清华大学学报，2002年第42卷第4期．
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[26] Pandey A K, Biswas M. Damage Detection in Structures Using Changes in Flexibility. Journal of Sound and Vibration. 1994, 169 (1): 3-17.
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[39] 禹丹江．桥梁损伤识别的动态方法研究．郑州大学硕士学位论文．2002年，4月．
[40] 袁野．损伤指标法用于混凝土拱坝损伤位置识别的研究．浙江大学硕士学位论文，2006年5月．
[41] 王锋．基于模态应变能方法的桥梁损伤识别研究．长沙理工大学硕士学位论文，2006年4月．
[42] 苏启旺．既有建筑结构的损伤诊断研究．西安交通大学硕士学位论文．2005年11月．
[43] 丁阳，张玉峰，李忠献．大跨度空间网格结构的损伤定位．建筑结构学报，第27卷第1期，2006年2月．
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[45] 陈江，熊峰．基于曲率模态振型的损伤识别方法研究．武汉理工大学学报，第29卷第3期，2007年3月．
[46] 王修勇，陈政清．基于柔度矩阵和神经网络的结构损伤识别方法．机械强度，2002，24(2)：164-167
[47] 王柏生，何国波．基于振动的混凝土坝损伤检测的可行性初探．水利水电，2003年第29卷第4期．
[48] 史治宇，罗绍湘，张令弥．结构破损定位的单元模态应变能变化率法．振动工程学报．第11卷第3期，1998年9月．
[49] 禹丹江，陈淮．桥梁损伤检测的曲率模态方法探讨．郑州大学学报，2002年9月，第23卷第3期．
[50] 孙宗光，高赞明，倪一清，丁皓江．斜拉桥桥面结构损伤位置识别的指标比较．工程力学，第20卷第1期，2003年2月．
[51] 袁颖．桥梁结构损伤识别的相关问题研究．大连理工大学博士学位论文，2005年10月．
[52] 朱子，董聪．基于最小秩方法的结构损伤识别．建筑科学与工程学报，第23卷第3期，2006年9月．
[53] 任淑芬，郭国会．连续梁损伤诊断的单元模态能量比法研究．昆明理工大学学报，第25卷第6期，2000年12月．
[54] 史治宇，基于动态试验数据的结构破损诊断研究，南京航空航天大学，博士论文，1996．
[55] Vapnik V N著．张学工译．统计学习理论的本质．北京：清华大学，2000．
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[57] 刘志鑫．网架结构的损伤诊断．大连理工大学硕士学位论文．2007年6月．
[58] 何浩祥．空间结构健康监测的理论与试验研究．北京工业大学博士学位论文，2006，4．
[59] 左云，陈明宪，赵跃宇．桥梁健康监测及传感器的优化布置．公路 2004年第4期．
[60] 岳增国．大跨度空间结构的损伤监测于诊断研究．天津大学硕士学位论文，2005年1月．
[61] 张红雷．基于动态特性的结构损伤诊断若干关键问题研究．东南大学硕士学位论文，2006年3月．
[62] 梁鑫．适用于空间网格结构缺陷诊断问题的传感器优化布置研究．北京工业大学硕士学位论文，2004年5月．
[63] 刘斌，姚永丁，叶贵如．斜拉桥传感器优化布点的研究．工程力学，第22卷第5期，2005年10月．
[2] 尹德钰，赵红华．网架质量事故实例及原因分析．建筑结构学报．1998，19(1)：15-23．
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