悬索桥的结构健康监测特性受风速变化的影响外文翻译资料

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悬索桥的结构健康监测特性受风速变化的影响

Gabriele Comanducci,Filippo Ubertini,Annibale Luigi Materazzi

土木与环境工程系，佩鲁贾大学，意大利佩鲁贾

概述

基于多元统计分析的工具在不断变化的环境和操作条件下(如温度、湿度和交通强度)是非常受欢迎的。本文中,多元统计分析最新应用于悬索桥主缆结构健康状态的监测中,其主要功能在于消除动态特性和风速之间的非线性气动弹性。

考虑到固有频率是损伤敏感度的特征，首先对建立在风荷载作用下对一根主缆造成伤害的参数化模型并进行分析。模型预测表明，由于多变的高频来风造成的伤害比那些小的结构损伤伤产生的伤害要更为严重。一个可以很好的应对这一问题并应用于长期模拟试验数据、基于主要成因分析以和全新的检测技术和数据模型出现了。结果证明了永久检测系统可以揭示潜在的小于0.1%的最敏感固有频率中由活跃风在大跨度桥梁产生的相对变化。

关键词:结构健康监测、损伤检测、悬索桥、状态跟踪、空气弹性变形的影响

1.简介

自动化民用建筑条件评估项目是用于管理老化的基础设施网络的唯一有效的方案。这项任务可以通过连接结构健康监测系统(SHM)观察设备(如传感器)获得运行时的结构响应,以检测其结构的完整性(例如损伤诊断和结构完整性)(Farrarand Worden,2007)。

虽然大量的监测系统已经应用于全球范围内的战略性桥梁（Brown John，2007），但是依然不确定他们是否有能力有效的检测结构的健康状态。迄今为止，限制SHM的问题是缺乏可靠的处理方案以应对来自永久安装在站点的大数据以及应用这些数据进行信息评估（Magalhatilde;es etal，2008）。

结构损伤通常与局部刚度变化有关。因此，损伤敏感特征通常在损伤识别策略中被认为要么是结构静态响应（Alvandi and Cremona,2006) ）要么是结构的动态特性(Deraemaeker et al., 2008; Domaneschi et al., 2013) 。然而，这些量是由环境和操作条件变化的影响而产生(Sohn, 2007; Moser and Moaveni, 2011) ，因此有必要定义适当的措施来消除这些影响，以便让我们检测出那些微小的损伤。

多元统计分析和全新检测技术已经经常在提炼动态特征和操作条件变化影响的环境和中被提及，它可以自动揭示存在的结构异常行为(Worden et al., 2002; Mosavi et al., 2012) 。类似的方法如基于线性(Yan et al., 2005a) 和非线性主成因分析（PCA）(Yan et al., 2005b), 证明消除温度、湿度和交通密度变化的影响是有效的(Bellino et al., 2010).

从检测数据传入风速并去除其中环境变化的相关影响问题还没有得到很好的解决。但是众所周知的是细长结构对风很敏感，如大跨度悬索桥可能随着风产生显著的变化，其模拟状态参数与传入的风速所产生气动弹性效应。这种变化通常是非线性的，如果不妥善处理其中的复杂部分，会被误解为一些结构的损伤而使可能的隐藏伤害无法被发现。现在，强制要求设计开发桥梁结构检测方案来作为应对的处理措施。

本文作者开始的一个研究项目，目的是使用操作动态响应数据定义一个合适的连续大跨度桥梁（悬索桥）结构健康监测方案。在这种情况下一个重大的挑战是敏感性结构的变形的影响,产生与风速变化的非线性动态特性。乌贝蒂尼(2014)调查了纵向和扭转模态频率的对一个敏感性主缆的伤害后（Cappa,1988),本文索描述的自动显示主缆存在的损害的应用程序技术基于:(i)自动模态识别和频率跟踪,(ii)PCA，(iii)全新检测(Magalhaes et al .,2012)。竭尽作者的所能,这是第一次尝试使用PCA和全新检测技术揭示损伤结构与特性的存在受到风速变化的显著影响。

遵循先前的研究(Ubertini，2013，2014)这项工作是基于分析弹性动态模型的模仿悬索桥在紊流风作用下的损坏,该实验适用于生成长期模拟实验冲击响应数据。这里的模型基于指标功能扩展到考虑纵向风和扭转风激励下，以及空气弹性变形的影响共同作用下自激加载模型。

本文应用单孔位微吹气扰动技术模拟实验数据验证相对于一般的论文有以下不同:(1)很难从一个实际结构的发展破坏中长期在野外数据收集(2)理论分析使我们能够轻松地测试单孔位微吹气扰动过程的性能。不过需要提到的是,仿真数据可能不能完全代表在桥位的实际情况,因为这可能包含复杂的结构和气动非线性等特性以及各种操作和环境条件等影响。所有这些特性是模态识别和损伤诊断技术的挑战。由此可见,使用人工生成的数据有了一些限制，并且全面的应用程序是对SHM是一个理想的基准测试与验证。

本文组织结构如下。第二节介绍了理论背景,第三节介绍了分析模型,第四部分探讨并比较由由于传入的风速变化和频率变化引起的损害;第五部分讨论了SHM有效性以及第六节总结了全文。

2理论背景

在本文中，固有频率被视为评估的大跨度桥梁和多元统计分析技术的特性条件。该理论是用来提炼频率预期影响变化的风速以及揭示损伤的存在。本部分致力于展示两种主要工具的理论背景：(1)使用PCA的风力影响频率估计和(2)全新分析。

2.1使用主元分析分析风移动效果

主成因分析,也称为适当的正交分解,是一种用多元统计方法通过一些变量的线性组合解释一组变量的方差-协方差结构。在最近几年,这种方法经常应用在文章当中，它有许多目的,如降维建模和模态分析,它实现了特别有效的损伤诊断的目的。

在最近的研究当中，用PCA以消除数据之间的线性相关性来减少因风速变化造成的固有频率的变化。相比其他把环境和操作因素从损坏敏感特性移除的方法,主元分析的主要优势是,它不需要测量的环境参数(在最近的研究中，风速),因为他们考虑到嵌入式变量。

让我们表示观测矩阵包含N频率估计的样本结构的振动模式为。这些在构成一个正交的基础上数据可以重新映射到生成的矢量空间的主成因(PCs)。重新映射矩阵,,叫做得分矩阵,写成

（1）

载荷矩阵,通过执行奇异值分解(计算)的原始数据的协方差矩阵如下:

（2）

并设置

（3）

根据定义,荷载矩阵的每一行包含奇异PC的系数,而是一个包含了协方差矩阵的奇异值的对角矩阵,代表每个PC的方差贡献。

一个限定的数字,l,PCs通常足以重建方差的主要部分,这被认为是由风速的变化。其余的一部分剩余随机误差的方差反相输出相关频率识别。,减少一个矩形荷载矩阵是通过只考虑的第l矩阵的列在Eq中的U。(3),这样得方式仅保留PCs负责方差由风速引起的变化。这个矩阵用于模型降维,降维的数据重新映射到原始空间,产生一个修改后的观测矩阵用

（4）

这只包含部分的方差对相关联风速的变化。残差矩阵,E,定义为到达目标时间

（5）

而不是只包含剩余随机错误,但不是那些对风速的变化有关数据。清理观察矩阵,,一个没有变化风速的影响的矩阵包含频率数据,因此可以获得

（6）

这是一个向量包含原始频率数据的平均值。

上面描述的过程是有效的只有协方差矩阵的奇异值分解进行足够的培训期间内收集的数据长度、t0,包含一个具有统计代表性的风速数据。此外,如果结构,在此培训期间,在参考健康状态,E中包含的数量可能会揭示损伤的存在,能够突出异常没有观察到在训练期间。

上面描述的过程只有协方差矩阵的奇异值分解进行采集周期内收集的数据长度是有效的才可以使用，t0,它包含一个具有统计代表性的风速数据。此外,如果结构在此采集期间内是处于参考的健康状态,E中包含的数量可能会揭示损伤的存在,能显示出没有在采集期间观察到异常。

文章结果指桥梁受温度变化和操作条件(交通)变化表明t0应该至少等于1年,这样被认为是在记录期间是一个近乎完整的环境和操作条件的记录。考虑到每天的微气象和季节周期性风速变化,很可能需要一年完整周期记录才能消除影响。

2.2结构健康监测系统新分析

计算残差后使用Eq.(5),需要建立一种能够自动检测数据异常技术。这通常是通过所谓的全新检测算法,能够探测到从其他观察严重偏离的数据,他们是由一个不同的机制构成(霍金斯,1980)。

在最近的文章中，新的检测是通过对下面的算式进行探索：

（7）

并构建一个适当的控制图。Eq.(7),r是一个整数参数,E是平均残差的子群的新r的参照,而E和S是残差的均值和协方差矩阵的原始数据,分别计算在观测期间t0。其他值，T2的值大于一个控制上限(UCL),很可能被认为是损害的迹象。在本文中,UCL的统计计算的值对应于一个累积频率在记录期间的95%。根据采用SHM的过程,新的索引更新后，r的观测获取错误报警概率等于5%。

3分析模型

在前人工作的工作后，研究了单跨、损坏、悬索桥受激振动的耦合垂向扭转运动。这座桥是由两个浅主缆、加劲梁、吊杆垂直均匀分布组成。主缆，放置在距离2b的位置，铰接在同一竖向标高的固定锚上并且建模为连续弯曲和剪切刚度可以忽略不计的单维线性模型。面板被设置为一个均匀的、线弹性梁的抗弯性能和欧拉–伯努利经典的圣维南扭转行为一致的模型。吊杆分布均匀，无质量。桥的总跨度等于L.

在甲板水平方向风吹的平均风速用U表示。顺风表示（水平）风速用而横风（垂直）风速用表示，t表示时间，X表示沿梁的横坐标。风作用在甲板上的决定了的气动力和气动弹性载荷，和，表示升力和俯仰力矩的单位长度，如图1所示。在叠加原理有效性的经典假设下，给出了和的震动和自激组件。

两根主缆中的一根主缆经受损伤区域为组成的损伤截面等于，为完好的截面。考虑损伤的损伤强度因子，扩展因子delta;，以及位置的因素gamma;。最后两个因子的定义为

（8）

（9）

桥的运动是由两个广义位移函数，图1（b）：对面板的纵向中心线的弯曲垂直偏移函数和扭转函数。同时也方便了下的无量纲变量问题：

（10）

在完好的主缆上张力和静态水平分量分别和,为每单位长度主缆质量，b甲板的宽度，g表示重力加速度。

在模态空间中通过标准变量的分离研究桥梁的风振响应。纵向和扭转模态振幅表示为和而相应的本征函数为和。和的表达方式，以及非维的自然循环频率和对损坏的桥梁的关系由Ubertini研究，而读者设计的那篇文章的细节。将无量纲的循环频率，定义在三维的中的，为。

对与纵向和扭转模态运动方程为：

（11）

（12）

其中，是每根主缆单位长度的组合质量惯性极矩，和模态阻尼比，而，，和是与纵向和扭转模态的抖振和自激风荷载，为了简洁起见分别在附录中说明。

图1 有损伤的悬索桥模型，力矩和力作用于桥面板上

经过上面两个公式的简单的计算。分组呈现在下面：

（13）

其中是状态向量、是气动弹性系统的矩阵，包含惯性，阻尼和刚度方面，包括对这些量的气动弹性的贡献，是抖风荷载向量，B是配置矩阵。向量，和 定义为

（14）

其中n是纵向和扭转保留在模型的数量，是含有状态变量的额外气动自激力模式相关向量的个数，其表达式是在附录A中说明。

上式决定了损坏的悬索桥在风的作用下弹性振动的模态。特别值得注意的是，气动弹性系统矩阵，结果是系统的模态特取决于损伤的特点和风速。

1. 风和损伤对固有频率的影响

这部分文章比较由于主缆损伤产生的与那些在进风速度变化产生的模态频率的不同变量。

研究的案例是在几何和力学性能以及气动特性上有代表性的美过新卡奎内姿桥（NCB）。这座桥的几何和力学性能可以在Caracoglia (2008) and Ubertini (2013)的文章中找到。

NCB的特点是流线箱型截面并且这种结构对风力作用很敏感。用于专业模型分析的该桥的气体动力学弹性参数总结在表1当中。并且再次在后文的附录表A中进行介绍。，，。面板的升力、阻

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