不确定性不确定条件下桥梁结构损伤识别与状态评估模糊计算策略查抄袭率理工

摘要：随着现代经济的高速进展，在役桥梁所承受的交通荷载日益增加，外部恶劣环境导致材料不断老化，桥梁结构容易出现累积损伤，进而导致承载能力不足。由此，对桥梁结构进行损伤识别及状态评估，及时掌握桥梁的健康状态，对保障结构的安全运营，提升桥梁服役寿命，减少垮塌事故的发生，具有重要的社会及经济价值。然而，在实际工程结构损伤识别及状态评估中，不可避开的会受到不确定性因素的影响，如外界环境、测量噪声、人为主观因素等。这些不确定性因素的有着阻碍了现有损伤识别及状态评估技术的实际运用进程，降低了识别及评估结果的可靠性。由此，如何在计算历程中，考虑并剔除不确定性因素的影响，对推动桥梁结构损伤识别及状态评估技术的工程实用化，具有重要的现实作用。本论文结合国家高技术探讨进展计划（863计划）“季节冰冻区大范围道路灾害参数监测与辨识预警系统探讨”项目，针对参数误差及信息缺失、温度、基准模型信息缺失以及人为主观因素等不确定性情况，基于模糊贴近度、模糊神经网络、模糊推理、模糊聚类等模糊计算策略，提出了具备较强鲁棒性的损伤识别及状态评估技术。本论文开展的具体探讨工作如下：1.针对噪声及测试自由度不完整等引起的参数误差及信息不完备情况，提出了桥梁结构损伤识别的模糊贴近度策略。该策略以改善的振型比值为识别参数，分别选取K型抛物线及钟形函数作为输入、输出参数隶属度函数，通过建立结构损伤状态及损伤特点向量之间的对应联系，构建损伤识别知识库。通过计算测试样本与知识库中规则之间的模糊贴近度，基于择近原则，实现结构损伤定位及状态辨识。在原始数据中添加高斯分布随机数来模拟噪声，以节点振型数据的缺失模拟信息不完备情况，多片简支梁桥的数值模拟浅析验证了该策略在参数误差及信息缺失情况下的损伤识别效果。以跨径1.5米槽梁作为室内试验模型，验证了模糊贴近度策略的实际运用效果。2.针对温度转变引起的模态参数非正常变化，提出了一种能够剔除温度效应的桥梁结构损伤识别模糊神经网络策略。该策略通过结构弹性模量的转变对温度效应进行模拟，以归一化温度及均匀荷载面曲率作为模糊神经网络的输入参数，通过自适应训练，自动生成if then规则库。对简支梁桥的数值模拟浅析验证了该策略的有效性，结果表明，均匀荷载面参数具备良好的损伤辨识能力，模糊神经网络可以实现测试样本的自适应损伤辨识，能够完成桥梁结构损伤识别中温度效应的有效剔除。为了更好地说明模糊神经网络策略的有效性，通过构造向量相似度计算公式，对BP神经网络策略以及ANFIS策略的识别精度进行了比较浅析。结果表明，ANFIS策略测试样本的期望输出与实际输出相似度更高，识别结果更准确。3.考虑到在役桥梁基准模型数据不可得或仿真误差较大容易导致损伤识别策略失效，基于模态曲率、切比雪夫多项式及模糊推理论述，提出了一种不依赖基准模型信息的桥梁结构损伤识别策略。该策略在损伤结构节点振型数据的基础上，通过二次中心差分得到相应的模态曲率值MSC d；在此基础上，选取特点节点的MSC d值，通过切比雪夫多项式拟合得到结构未损情况下的模态曲率值MSC u；通过MSC d与MSC u，计算得到结构损伤前后的模态曲率差值MCD，以而实现结构的损伤位置识别。以归一化的MCD作为模糊推理系统的输入参数，实现结构的损伤程度识别。对简支梁桥的数值模拟浅析验证了该策略的有效性，结果表明，基于切比雪夫多项式拟合得到的模态曲率差，能够实现准确的损伤定位；以模态曲率差值为损伤识别参数构造的模糊推理系统，可以实现结构的损伤状态辨识。选取槽梁为室内试验模型，验证了本论文所提出策略的实际运用效果。4.针对现有桥梁状态评估策略容易受到人为主观因素的影响，本论文以桥梁现场实测数据为基础，提出了一种基于模糊聚类的无监督式桥梁上部结构状态评估策略。该策略首先通过现场实测参数构建桥梁耐久性及安全性评价指标系统，分别考虑和不考虑指标权重影响，选取一定数量的实桥健康监测数据为聚类样本，通过计算得到样本的模糊相似矩阵及模糊等价矩阵，选取不同的阈值形成动态聚类图，基于F统计量浅析确定最佳分类。该聚类结果视为桥梁安全性及耐久性状态评估的样本库，将同一类桥梁相应指标的平均值视为该类别的近似中心，通过计算未知桥梁状态数据与该中心之间的模糊贴近度，依据择近原则，对待评估桥梁的状态进行浅析评价。分别选取长春赛德大桥及吉林省南坪（茂山）国境桥作为桥梁安全性及耐久性评估的实体工程，验证本论文提出模糊聚类策略的有效性。关键词：桥梁结构论文损伤识别论文状态评估论文模糊计算论文不确定性因素论文

摘要4-6

Abstract6-13

第1章 绪论13-37

1.1 探讨背景、目的和作用13-15

1.2 桥梁结构损伤识别及状态评估中不确定性因素概述15-21

1.2.1 桥梁损伤识别中的不确定性因素15-20

1.2.2 桥梁状态评估中的不确定性因素20-21

1.3 桥梁结构损伤识别技术的探讨近况21-33

1.3.1 损伤识别策略概述21-22

1.3.2 确定性条件下的桥梁结构损伤识别技术22-29

1.3.3 考虑不确定性的桥梁结构损伤识别技术29-33

1.4 桥梁结构状态评估技术的探讨近况33-35

1.4.1 桥梁结构状态的常规综合评估技术33-34

1.4.2 考虑不确定性的桥梁结构状态评估技术34-35

1.5 本论文的探讨内容35-37

第2章 参数误差及信息不完备情况下桥梁结构损伤识别的模糊贴近度策略37-63

2.1 引言37-38

2.2 模糊贴近度论述38-44

2.2.1 模糊集合概念38-39

2.2.2 隶属度函数39-41

2.2.3 模糊集合贴近度及择近原则41-44

2.3 桥梁结构 FNBDI 策略计算流程44-49

2.3.1 单元损伤的模拟44-45

2.3.2 损伤识别参数选取45-47

2.3.3 隶属度函数选取47-48

2.3.4 噪声模拟48

2.3.5 FNBDI 策略技术路线48-49

2.4 FNBDI 策略数值模拟验证49-57

2.4.1 模型概况及损伤识别工况建立49-51

2.4.2 模糊贴近度损伤识别系统构建51-53

2.4.3 数值模拟结果浅析53-57

2.5 FNBDI 策略室内试验验证57-62

2.5.1 试验案例框架57-59

2.5.2 试验结果浅析59-62

2.6 本章小结62-63

第3章 温度荷载作用下桥梁结构损伤识别的模糊神经网络策略63-81

3.1 引言63-65

3.2 本章论述基础65-68

3.2.1 ULS 计算论述65-66

3.2.2 ANFIS 计算论述66-68

3.3 损伤识别中温度效应剔除的 ANFIS 策略计算流程68

3.4 桥梁结构损伤识别中温度效应剔除的数值模拟浅析68-80

3.4.1 数值模型概况68-69

3.4.2 基于模态频率参数及神经网络的温度效应剔除策略69-72

3.4.3 基于 ULS 参数及 ANFIS 的温度效应剔除策略72-79

3.4.4 温度效应剔除的 BP 神经网络与 ANFIS 策略识别精度比较浅析79-80

3.5 本章小结80-81

第4章 基准模型信息缺失情况下桥梁结构损伤识别的模糊推理策略81-103

4.1 引言81-82

4.2 本章论述基础82-88

4.2.1 模态曲率论述82-83

4.2.2 切比雪夫多项式拟合83-84

4.2.3 模糊推理论述84-88

4.3 不依赖基准模型信息的桥梁结构 FLBDI 策略计算流程88-91

4.3.1 模糊逻辑系统选择88-89

4.3.2 模糊推理系统计算流程89-91

4.3.3 FLBDI 策略技术路线91

4.4 FLBDI 策略数值模拟验证91-99

4.4.1 模型概况91-92

4.4.2 基于模态曲率差的结构损伤定位92-96

4.4.3 基于模糊推理的结构损伤程度识别96-99

4.5 FLBDI 策略室内试验验证99-102

4.6 本章小结102-103

第5章 现场实测数据条件下桥梁上部结构状态评估的模糊聚类策略103-133

5.1 引言103-104

5.2 本章论述基础104-111

5.2.1 不确定型层次浅析法计算论述104-108

5.2.2 模糊聚类计算论述108-111

5.3 桥梁状态评估的模糊聚类策略计算流程111-112

5.4 不考虑指标权重的桥梁上部结构状态评估的模糊聚类策略112-125

5.4.1 桥梁上部结构状态评估指标系统构建112-113

5.4.2 不考虑指标权重的模糊聚类评估系统构建113-120

5.4.3 不考虑指标权重的桥梁状态评估实例浅析120-125

5.5 考虑指标权重的桥梁上部结构状态评估的模糊聚类策略125-130

5.5.1 基于不确定型层次浅析法的状态评估指标权重系统构建125-126

5.5.2 考虑指标权重的模糊聚类评估系统构建126-129

5.5.3 考虑指标权重的桥梁状态评估实例浅析129-130

5.6 本章小结130-133

第6章 结论与展望133-137

6.1 结论133-134

6.2 展望134-137