[发明专利]基于监测数据驱动的结构局部无模型非线性定位识别技术

说明书

本公开提供了一种工程结构的非线性单元定位方法，包括：获取被施加外激励的目标工程结构的各个单元的应变响应数据；基于各个单元的应变响应数据获取各个单元的小波能量概率分布；基于各个单元的小波能量概率分布获取每个单元与其他单元的相对小波熵；以及基于每个单元与其他单元的相对小波熵，获取所述目标工程结构的非线性单元。本公开还提供了一种非线性力识别方法。

技术领域

本公开属于土木工程结构安全监测技术领域，本公开尤其涉及一种工程结构的非线性单元定位与非线性力识别的方法。

背景技术

土木工程结构在疲劳荷载或强激励作用(如地震)下通常会产生明显的非线性行为，如混凝土的呼吸裂缝、钢筋发生屈服等。而结构在经历疲劳荷载或强激励作用后往往需要进行健康评估以保证其安全性和可靠性。

由于结构进入非线性状态，使得传递比函数、频响函数等线性结构中的理论将不再适用，并且非线性单元类型繁多，模型较为复杂。因此基于振动信号对多自由度系统中非线性单元识别是土木工程中一个非常重要的问题。迄今为止，对于如何有效准确识别在役结构的非线性单元的研究还较少或存在一定的局限性。

现有的非线性定位方法可以分为基于模型的方法和无需模型的方法。基于模型的方法往往需要已知或建立非线性恢复力的数学模型。虽然这些模型参数具有明确的物理意义，但是建立非线性恢复力的数学模型是一件十分困难的工作，所以近年来基于无模型的非线性定位的研究得到了越来越多的关注。

Peng[1]基于非线性输出频率响应函数的特性，提出了一种检测周期结构中非线性位置的方法。Lang[2]通过引入非线性输出频率响应函数的传递比函数，用于检测和定位多自由度结构中的线性和非线性损伤。但是以上方法假定系统中只存在一个非线性单元，并且要求外荷载是已知的。Li[3,4]提出数据驱动的基于时频特征分形维数的非线性单元定位方法，首先利用小波变换获取信号的时频特征，再利用分形维数刻画出时频特征的差异性以进行非线性定位。Wang[5,6]将非线性单元引起的非线性力向量通过降阶的方式投影到可测自由度上，称作降阶伪力。通过比较各自由度上降阶伪力的大小和相位性质以定位出非线性单元。但是该方法需要在结构上作用扫频激励。小波熵可以代表信号的有序/无序程度，近年来被广泛研究并应用于结构检测中[7-9]。Ren和Sun[10]提出了小波熵、相对小波熵等损伤识别特征，通过比较未损伤结构和损伤结构测得的振动信号进行检测和定位。Diao等[11]以结构完好和损伤两种状态下的小波熵作为损伤指标，将其输入神经网络以定位结构损伤位置。Li等[12]提出了一种基于小波包奇异熵的方法，通过分析曲线连续梁桥在地震激励下的动力响应来识别损伤。然而，以上方法都需要结构完好状态的信号。但对于大多数现有结构，特别是较老的结构通常都缺乏健康数据。Lee等[13]提出了一种基于连续相对小波熵的无基线损伤定位算法，并将其应用于桁架结构的螺栓松动定位。该方法将加速度响应数据通过连续小波变化进行分解，将小波系数进行归一化处理并进一步计算和比较不同位置的连续相对小波熵以实现损伤定位。因此，如何在未知非线性模型且缺少健康数据的情况下，基于结构响应监测数据进行在役结构的非线性单元定位是需要解决的关键问题。

此外，对非线性单元恢复力的识别可以进一步对非线性类型、程度进行量化。目前无模型的非线性恢复力识别的方法都具有一定的局限性，如级数展开难以确定展开阶数[14-15]，需要所有自由度的响应信息[16-17]，外激励或非线性力作用位置需要已知[18-20]等等。因此如何在未知非线性模型情况下，基于结构响应的监测数据驱动，识别在结构的非线性单元特性也是需要解决的问题。

参考文献：

[1]Peng,Z.K.,Lang,Z.Q.,Chu,F.L.,et al.Locating nonlinear componentsin periodic structures using nonlinear effects[J].Structural HealthMonitoring,2010,9(5):401-411。