基于应变模态小波神经网络的结构损伤识别方法.pdf

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1、第３６卷第３期吉首大学学报（自然科学版）Vol．３６No．３２０１５年５月JournalofJishouUniversity（NaturalScienceEdition）May２０１５文章编号：１００７２９８５（２０１５）０３００４５０７倡基于应变模态小波神经网络的结构损伤识别方法管德清，廖俊文，吴兆（长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙４１０００４）摘要：以框架结构为研究对象，利用小波分析和神经网络理论，结合二者的优点，运用小波分析来确定框架结构的损伤位置，运用神经网络算法来识别损伤程度，给出了基于应变模态参数识别框架结构损伤的原理，建立了一种识别结构损伤的小波

2、神经网络方法．通过建立基于振型模态和应变模态的损伤识别方法，分别对９种不同工况下框架的裂缝位置进行识别，并对比了这２种模态下损伤位置的识别效果．然后，分别对框架的振型模态和应变模态进行连续小波变换，获得２种模态参数下的小波系数模极大值．利用神经网络去模拟小波系数模极大值与损伤程度之间的非线性关系来识别结构的损伤程度，并对比了这２种模态下损伤程度的识别效果．数值分析结果表明，小波神经网络可以有效地识别出结构的损伤位置和损伤程度，基于应变模态的损伤识别方法具有更好的准确性．关键词：框架；小波变换；BP神经网络；结构损伤；应变模态；振型模态＋中图分类号：TU３１７．５；

3、TN９１１．６文献标志码：ADOI：１０．３９６９／j．cnki．jdxb．２０１５．０３．０１１框架结构由于其自身适合大规模施工、工程质量高和效率高等优越性，已成为现代建筑结构中应用最基本的结构形式之一．结构在使用过程中受到外荷载作用和材料老化的影响，会造成结构的损伤和抗力衰减，甚至导致结构整体破坏，引起灾难性事故的发生．因此，研究框架结构的损伤识别方法具有重要的理论意义和工程应用价值．文献［１］提出了基于应变模态的损伤识别方法，对一框架结构的损伤进行了有效识别，结果表明，应变模态具有良好的灵敏性，能够准确地识别出结构的损伤位置，其试验精度在允许范围内具有很好的

4、可靠性．文献［２］以板结构为研究对象，利用应变模态进行损伤诊断，提出了应变曲线指标法，可确定结构的损伤位置，并经过实验分析，验证了该方法的有效性．文献［３］对混凝土框架进行模态试验，结果表明，第１阶应变模态识别损伤具有良好的稳健性和灵敏性，且一阶应变模态可以界定结构局部损伤，准确指出损伤部位．文献［４］对框架结构进行应变模态下小波变换，经过去噪处理，由小波系数的模极大值确定识别结构的损伤位置．通常，结构的损伤识别包括确定结构的损伤位置和损伤程度．现有研究表明，目前对于损伤位置的识别已取得了许多有益的研究成果，而对于结构损伤程度的研究仍然很不够．与此同时，目前大多都

5、是利用结构损伤前后固有振型的变化损伤定位，但是在实际工程应用过程中存在一些局限性，如测量的振型难以完整、测量值误差较大和易受噪声干扰等，这些因素都在不同程度上影响了识别的精度．为此，笔者将应变模态小波变换与神经网络相结合，建立了一种既能识别结构损伤位置又能确定损伤程度的结构损伤识别方法．为突出应变模态的优越性和所建立小波神经网络的稳定性，同时利用振型参数对同一框架结构进行倡收稿日期：２０１４１２２１基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７８０７９）作者简介：管德清（１９６１—），男，湖南汉寿人，长沙理工大学土木与建筑学院教授，湖南大学土木工程学院博士研究生，主

6、要从事钢结构损伤评估诊断及寿命预测理论与应用研究．４６吉首大学学报（自然科学版）第３６卷识别，通过对比分析，验证该方法的正确性．１基于应变模态小波损伤的识别原理小波变换的定义是，将某一被称为基本小波的函数（t）作位ψ移后，再在τ不同尺度a下与待分析的信号x（t）作内积：１／２１／２dwf（s，u）＝s（f倡ψs）（u）＝s珔（f倡s）（u）．珚Δ（１）du其中：a为尺度因子，反映信号频率；为平移因子τ，反映时间信息；a，，t∈R且a≠τ０．随着a，的变换，小τ波变换具有多分辨的特点．由力学可知，应变是位移的一阶导数，每一阶位移模态都有与其相对应的固有应变分布状态，

7、将这种与位移模态相对应的固有应力分布状态称之为应变模态．那么，承受构件弯曲振动的固有变形模态称之为［５］曲率模态．以单跨简支梁（图１）为例，假设该梁质量分布均匀．若梁发生横向振动时，其弹性曲线上任意点的挠度y可以用函数y＝f（x，t）来表示，x为横坐标，t为时间，则梁自由振动的运动微分方程为２２２矪矪f（x，t）矪f（x，t）２EI（x）棟２棡＋m２＝０，（２）矪x矪x矪x其中梁在时刻t上坐标x处的挠度为f（x，t），抗弯刚度为EI（x）．对（２）式进行分离变量，其解的形式为f（x，t）＝F（x）T（t），（３）其中谐波T（t）是由时间t构成的函数，振型F（x）图

8、１简支梁示