基于強(qiáng)震響應(yīng)過程信息的大壩損傷識(shí)別研究

李 靜,陳健云,徐 強(qiáng),顧太歐

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，大連 116023)

我國西部強(qiáng)震區(qū)興建了大量的庫容巨大水利工程，其設(shè)計(jì)地震烈度多在VIII～I(xiàn)X 度之間，如大崗山拱壩達(dá)到0.56g，一旦發(fā)生破壞會(huì)造成無法估量的后果。良好的設(shè)計(jì)是保障混凝土大壩抗震安全最關(guān)鍵因素，但是，由于各種不確定性或隨機(jī)性因素的影響，大壩在運(yùn)行過程中總會(huì)出現(xiàn)各種難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)，包括地震動(dòng)的作用，如印度的Koyna大壩按峰值加速度0.05g的地震動(dòng)設(shè)計(jì)，但在1967年遭受的地震動(dòng)，水平向達(dá)0.49g，豎直向達(dá)0.34g。因此，水工大壩普遍采用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于大壩監(jiān)測(cè)信息的安全診斷目前的研究很多，但主要集中在正常運(yùn)行階段的監(jiān)測(cè)信息異常及原因分析?；诖髩蝿?dòng)態(tài)響應(yīng)的模態(tài)識(shí)別研究相對(duì)較多[1]，遭受強(qiáng)震作用后的損傷識(shí)別及判斷方面的研究相對(duì)較少。

當(dāng)前結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別包括：損傷是否發(fā)生、損傷位置、損傷程度、結(jié)構(gòu)可維持的壽命。對(duì)這幾個(gè)問題國內(nèi)外已經(jīng)已經(jīng)發(fā)展了多種方法。Cawley等[2]利用固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行只存在單處損傷的情況下的損傷識(shí)別。Juneja等[3]提出了對(duì)比最大化的方法，將結(jié)構(gòu)損傷前后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)陣進(jìn)行對(duì)比分析，判斷結(jié)構(gòu)是否損傷。Pandey等[4]由梁損傷前后結(jié)構(gòu)模態(tài)曲率變化研究梁的損傷位置與程度；Pandey等[5]利用柔度矩陣對(duì)結(jié)構(gòu)是否損傷與結(jié)構(gòu)損傷位置進(jìn)行了研究；Wu等[6]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于一剛性樓板三層框架土木建筑工程結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別研究；

對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用基于損傷前后的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行損傷識(shí)別有一定的難度。這是因?yàn)閷?duì)于大型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)損傷之前的動(dòng)力參數(shù)不易獲得；而且對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整詳細(xì)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯然有些不切實(shí)際。損傷作為高頻模態(tài)表征的局部現(xiàn)象，在損傷較小時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體動(dòng)態(tài)特征的影響不明顯，隱藏在局部信號(hào)里的損傷在模態(tài)信息中很難發(fā)現(xiàn)。目前的數(shù)學(xué)變換方法以及采樣頻率對(duì)高頻分析還存在不足之處。

近年來，小波分析在混凝土結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中也取得了一定的進(jìn)展[7]。李洪泉等[8]對(duì)鋼筋混凝土框架地震臺(tái)試驗(yàn)獲得的位移時(shí)程信號(hào)進(jìn)行小波變換，根據(jù)分解后的信號(hào)在大尺度下是否有明顯的幅值變化判斷是否發(fā)生損傷；Hou等[9]通過數(shù)值模擬和實(shí)際結(jié)構(gòu)的振動(dòng)試驗(yàn)獲取時(shí)域信號(hào)，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行小波變換識(shí)別損傷時(shí)刻；Hera等[10]通過多種模型分析發(fā)現(xiàn)在損傷發(fā)生時(shí)刻小波分解圖出現(xiàn)奇異點(diǎn)；陳雋等[11]采用小波分析三層剪切型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)構(gòu)加速度信號(hào)來識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻和位置；劉紅坡等[12]分析了加速度、速度和位移時(shí)程信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行小波變換進(jìn)行損傷識(shí)別，結(jié)果表明此種方法能識(shí)別損傷發(fā)生的時(shí)刻。余竹等[13]利用小波分析的Lipschitz指數(shù)對(duì)連續(xù)梁的損傷進(jìn)行了定位及程度識(shí)別；

實(shí)際上，僅在震后識(shí)別壩體損傷程度和損傷位置，對(duì)于判斷大壩震后安全或采取應(yīng)急措施是不夠的，還應(yīng)該了解強(qiáng)震過程中大壩的損傷發(fā)展路徑，不僅可以更為合理的判斷大壩可能失效模式和風(fēng)險(xiǎn)，而且對(duì)于提高抗震設(shè)計(jì)水平和抗震措施也是有重要價(jià)值。

本文針對(duì)以上問題，結(jié)合小波分析方法和相關(guān)性分析方法，提出利用大壩強(qiáng)震過程中的加速度響應(yīng)時(shí)程信息，識(shí)別不同位置的損傷、出現(xiàn)時(shí)刻以及損傷程度，實(shí)現(xiàn)大壩的在線實(shí)時(shí)損傷預(yù)警，為今后利用強(qiáng)震監(jiān)測(cè)信息識(shí)別大壩強(qiáng)震失效模式提供參考。

1 小波分析基本理論

大壩損傷發(fā)展路徑和破壞模式的識(shí)別，不僅要識(shí)別出損傷位置，還要識(shí)別出不同部位損傷發(fā)生的時(shí)刻，從而構(gòu)成損傷的時(shí)間序列和空間路徑。傳統(tǒng)的傅里葉變換其頻率分辨率高，但在時(shí)域上無定位能力。小波變換的基函數(shù)具有離散正交性，其在時(shí)間域與頻率域上的伸縮與平移對(duì)強(qiáng)震過程中由于損傷發(fā)生而引起的信號(hào)非平穩(wěn)變化的識(shí)別具有優(yōu)勢(shì)。

設(shè)φ(t)為一個(gè)基本小波(Mother Wavelet)，經(jīng)過伸縮與平移后得到一個(gè)小波系列

(1)

式中,b為平移因子，a為尺度因子。在不同尺度下，小波變換的時(shí)間信息由尺度因子a控制，小波的持續(xù)時(shí)間隨著尺度因子a的增大而增寬，減小而縮短。

小波變換的本質(zhì)是將基本小波函數(shù)φ(t)利用平移因子b的變化觀測(cè)整個(gè)信號(hào)的時(shí)間軸，然后在不同尺度因子a下展開

Wx(a,b)=〈x,φa,b〉=

(2)

由式(2)可以看出，小波變換的實(shí)質(zhì)是把分析信號(hào)x(t)看作是由若干個(gè)小波系數(shù)Wx(a,b)組成的，而這些小波系數(shù)可以對(duì)原函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)

(3)

當(dāng)尺度因子a增加或者減小時(shí)，表示以延伸的或者縮短的φ(t)波形去觀察x(t)的整體或局部，當(dāng)a增大時(shí)，頻率分辨率高，當(dāng)a減小時(shí)，時(shí)間分辨率高。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)過程中頻譜特征發(fā)生變化通常有兩種可能性，一個(gè)是地震動(dòng)激勵(lì)的頻譜特征發(fā)生變化，一個(gè)是大壩的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。大壩在強(qiáng)震中的損傷會(huì)引起壩體動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的擾動(dòng)隨著損傷的發(fā)展從局部高階模態(tài)逐漸向低階模態(tài)擴(kuò)散，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中會(huì)包含這種變化。

當(dāng)信號(hào)中存在突變點(diǎn)時(shí)，那么在突變點(diǎn)附近的各個(gè)尺度上的小波變換系數(shù)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局部極大值，并且隨著尺度的減小，這些模的局部極大值點(diǎn)逐漸收斂于突變點(diǎn)?？梢圆捎眯〔ㄗ儞Q小尺度上的系數(shù)做為判斷信號(hào)奇異性的標(biāo)準(zhǔn)。利用小波分解可以檢測(cè)出信號(hào)上突變點(diǎn)的位置、類型以及變化的幅度，也就識(shí)別出損傷逐漸發(fā)展的時(shí)間過程。

2 基于強(qiáng)震響應(yīng)時(shí)程信息的損傷識(shí)別預(yù)警指標(biāo)

2.1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)主要利用混凝土的受壓承載能力，抗壓安全裕度很大，在強(qiáng)震作用中的破壞主要是受拉損傷開裂。本文針對(duì)某重力壩進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)縮尺模型試驗(yàn)，模型高203 cm，采用滿足高密度、低模量、低強(qiáng)度的重力相似準(zhǔn)則的仿真混凝土材料澆注。彈性模量取51 MPa，密度取3 020 kg/m3，泊松比為0.167，阻尼比為0.05，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。輸入規(guī)范譜水平向和豎直向地震波，豎向峰值加速度為水平向的2/3。通過人工波逐級(jí)加載，利用加速度傳感器獲得結(jié)構(gòu)不同高程處的加速度響應(yīng)信號(hào)。傳感器布置如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)澆筑模型Fig.1 Theexperimentalmodel圖2 傳感器布置Fig.2 Sensorlocation

圖3為0.15g和0.55g地震波加載下及震后白噪聲激勵(lì)作用下模型動(dòng)力響應(yīng)時(shí)程的頻譜分析結(jié)果。從圖3可見，0.15g地震動(dòng)作用下，基于大壩地震動(dòng)響應(yīng)過程的頻譜分析得到的大壩基頻略低于基于震后白噪聲激勵(lì)的響應(yīng)時(shí)程頻譜分析得到的結(jié)果，不過基本相差不多。這是因?yàn)?.15g作用下大壩損傷很小，震中和震后的材料性能相差不多。但是，0.55g地震動(dòng)作用下，基于強(qiáng)震作用過程中的響應(yīng)信號(hào)得到的大壩基頻明顯低于震后白噪聲激勵(lì)下得到的頻率。這是因?yàn)?.55g地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)損傷很大，在強(qiáng)震過程中體現(xiàn)出明顯的非線性變化，試驗(yàn)中可以觀察到大壩下游折坡處出現(xiàn)明顯的裂縫并迅速向下游擴(kuò)展，裂縫大約12 cm。而強(qiáng)震后壩體只承受自重和靜水壓力等作用，部分在強(qiáng)震過程中因受拉損傷開裂的部位在靜力作用下處于受壓閉合狀態(tài)，比如下游折坡處的裂縫，震后的白噪聲激勵(lì)不足以使實(shí)際受到的損傷開裂特征重新顯現(xiàn)出來。

(a)0.15g地震動(dòng)作用

(b)0.15g震后白噪聲激勵(lì)

(c)0.55g地震動(dòng)作用

(d)0.55g震后白噪聲激勵(lì)圖3 地震動(dòng)作用下重力壩結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻譜Fig.3 Seismic response spectrum of gravity dam

結(jié)構(gòu)損傷是在強(qiáng)震過程中產(chǎn)生的，反映到結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)中則是損傷時(shí)刻的突變?；谡鸷竺}動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的分析，并不能重現(xiàn)實(shí)際損傷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，而且脈動(dòng)響應(yīng)信號(hào)信噪比低，因此，采用強(qiáng)震作用前后基于環(huán)境脈動(dòng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性對(duì)比，并不能反映出大壩的真實(shí)損傷破壞狀態(tài)，這對(duì)于大壩制定合理的震后修復(fù)加固措施是不利的。

直接利用強(qiáng)震過程中的非線性響應(yīng)時(shí)程信息，可以避免了強(qiáng)震前后的信息對(duì)比，而且信噪比高，實(shí)時(shí)性和可信性更高，特別是可以通過不同部位的信號(hào)突變時(shí)刻的識(shí)別，獲取損傷發(fā)展過程信息。因此，需要采用基于大壩強(qiáng)震響應(yīng)過程中實(shí)時(shí)信號(hào)對(duì)壩體損傷破壞狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。本文選擇具有4階消失矩的db4小波進(jìn)行分解，分解次數(shù)為3，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中的分解信號(hào)d1、d2、d3可見，只在分解信號(hào)d3上能明顯看到突變峰值，這是由于在該頻帶上由輸入地震動(dòng)荷載引起的加速度能量分布較小，而由壩體損傷引起的加速度變化能量分布較大，壩體損傷信息在該頻帶上被很好的表現(xiàn)出來了。但是，即使是d3，與開裂相對(duì)應(yīng)的突變前也有大量的波動(dòng)幅值，一方面是初始損傷到宏觀裂縫形成之間的損傷不斷發(fā)展造成的，另一方面也可能是監(jiān)測(cè)信號(hào)中的大量噪聲引起的。

圖4 0.55g地震動(dòng)響應(yīng)時(shí)程信號(hào)小波分解Fig.4 Wavelet decomposing of seismic response subjected to earthquake action of 0.55g

2.2 結(jié)構(gòu)初始損傷時(shí)刻識(shí)別的預(yù)警指標(biāo)

采用小波分析可以獲取信號(hào)中的突變信息，但是在實(shí)際應(yīng)用中并非所有情況下都可以實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別損傷。因?yàn)楦鞣N不確定性因素的影響，實(shí)際監(jiān)測(cè)信號(hào)包含各種擾動(dòng)引起的突變，如何判斷對(duì)應(yīng)于初始損傷實(shí)際發(fā)生時(shí)間的信號(hào)突變?nèi)狈Χ康呐袆e方法，當(dāng)前的研究都是基于定性的曲線觀察。

為此，本文提出用一個(gè)隨時(shí)間移動(dòng)的固定大小的時(shí)窗來觀察任意時(shí)間點(diǎn)上信號(hào)的突變性的方法，針對(duì)小波分解信號(hào)，提出了一個(gè)基于移動(dòng)觀察窗統(tǒng)計(jì)特征的損傷預(yù)警指標(biāo)sk

(4)

(5)

式中，xk是各時(shí)間點(diǎn)τk的響應(yīng)信號(hào)值或小波分解系數(shù)。N為τk鄰域內(nèi)的一個(gè)觀察窗ΔT中所包含的小波分解系數(shù)數(shù)目。f為采樣頻率，Δt為時(shí)窗大小。xn為觀察窗內(nèi)的所有信號(hào)值或小波分解系數(shù)的集合。σxn為觀察窗內(nèi)集合組成的樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。μ為樣本均值。

標(biāo)準(zhǔn)差能反映組內(nèi)個(gè)體間的離散程度。用任意時(shí)刻的信號(hào)值除以觀察窗內(nèi)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，更能體現(xiàn)信號(hào)的突變程度。一般設(shè)定一個(gè)損傷預(yù)警指標(biāo)閾值μ，當(dāng)sk>μ時(shí)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。通常，只有當(dāng)μ>2時(shí)，才能比較明顯的觀察到信號(hào)的突變。

以一段懸臂梁為例說明這一問題及所提出指標(biāo)的有效性。梁高0.8 m，寬0.2 m，輸入隨機(jī)荷載為y(t)，加載時(shí)長為5 s，輸入方式為基底輸入，結(jié)果采樣頻率為1 000 Hz。

選用具有較高階消失矩的db6小波作為小波變換基函數(shù)，分解次數(shù)j=3。圖5從左到右分別為損傷云圖以及測(cè)點(diǎn)1、2的小波圖，其中s為測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)，D為測(cè)點(diǎn)的損傷系數(shù)，d1為信號(hào)小波分解的第一尺度細(xì)節(jié)信號(hào)，DI為損傷指標(biāo)sk。

本文所采用的損傷系數(shù)定義如式(6)所示

(6)

觀察圖中的小波分解信號(hào)d1，可以看出，由于損傷所造成的信號(hào)不連續(xù)現(xiàn)象并不嚴(yán)重，因此小波分解高頻系數(shù)并不能對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷做出有效的預(yù)警；但是采用本文提出的基于移動(dòng)窗的損傷預(yù)警指標(biāo)值sk，可有有效的識(shí)別出測(cè)點(diǎn)1的損傷時(shí)刻為0.41 s，測(cè)點(diǎn)2損傷時(shí)刻為0.85 s，識(shí)別結(jié)果與實(shí)際損傷D的發(fā)生時(shí)刻吻合。表明結(jié)合小波變換與損傷預(yù)警指標(biāo)sk能對(duì)信號(hào)的不連續(xù)現(xiàn)象給出明確的指示，從而能夠精確的識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)刻。

y(t)=sin(25t)+sin(50t)+sin(100t)

(a)損傷云圖

(b)測(cè)點(diǎn)1

(c)測(cè)點(diǎn)2圖5 小波分解與損傷預(yù)警指標(biāo)Fig.5 Wavelet decomposition and damage-alarming index

2.3 方法驗(yàn)證

本文針對(duì)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。模型施加地震荷載工況1～3分別為峰值加速度0.65g、0.45g、0.25g。壩體損傷部位如圖6所示。

重力壩屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，局部損傷引起的結(jié)構(gòu)整體剛度變化很小，很難從結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特性變化識(shí)別出結(jié)構(gòu)損傷。但是損傷引起的局部非線性變化會(huì)導(dǎo)致附近的動(dòng)力響應(yīng)出現(xiàn)突變點(diǎn)。提取不同工況下的加速度時(shí)程信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行不同尺度的小波分解。分析損傷狀態(tài)信號(hào)特征，得出損傷時(shí)刻。選用具有較高階消失矩的db6小波作為小波變換基函數(shù)，分解次數(shù)j=3。得到不同工況下壩體折坡處的加速度分解信號(hào)如圖7所示。其中，D為測(cè)點(diǎn)的損傷系數(shù)，d1為響應(yīng)信號(hào)在第一尺度的小波空間上的投影，DI為損傷指標(biāo)sk。

從圖7可以看出，0.65g下初始損傷時(shí)刻為1.59s，損傷系數(shù)最大為9.2×10-2；0.45g下的初始損傷時(shí)刻為1.94 s，損傷系數(shù)最大為9.05×10-2；0.25g下加載到2.64 s時(shí)出現(xiàn)損傷，損傷系數(shù)最大為2.40×10-3。以上初始損傷出現(xiàn)時(shí)刻的損傷極小，對(duì)壩體整體動(dòng)力特性幾乎無影響。

圖6 壩體損傷部位Fig.6 Damage location

三種加速度工況下，在信號(hào)的第一層高頻系數(shù)d1中，都可以觀察到突變點(diǎn)，但是0.65g和0.45g工況下，實(shí)際初始損傷時(shí)刻之前的系數(shù)中也有波動(dòng)，不過幅值較小，對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)刻容易出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷。但是，采用本文提出的基于移動(dòng)窗的損傷預(yù)警指標(biāo)sk，則可以更為清晰的識(shí)別出初始損傷時(shí)刻。說明結(jié)合小波變換與損傷指標(biāo)sk能對(duì)結(jié)構(gòu)損傷時(shí)刻給出較準(zhǔn)確的指示。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3圖7 基于小波及預(yù)警指標(biāo)的損傷識(shí)別Fig.7 Damage identification based on wavelet decomposition and damage alarming index

3 基于小波變換的結(jié)構(gòu)損傷部位識(shí)別

當(dāng)結(jié)構(gòu)由于損傷而導(dǎo)致剛度降低時(shí)，結(jié)構(gòu)的空間域信息會(huì)出現(xiàn)細(xì)微的間斷點(diǎn)。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的空間域信息進(jìn)行小波分解，根據(jù)細(xì)節(jié)信號(hào)出現(xiàn)奇異點(diǎn)的位置來識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的位置。

3.1 基于小波的損傷部位識(shí)別

假設(shè)壩體中上部存在損傷為0.1～0.6的初始豎向缺陷(如圖8所示)，計(jì)算地震作用下的地震動(dòng)響應(yīng)，提取模型1.3 m高程處5 s時(shí)刻的豎向變形曲線進(jìn)行使用具有高階消失矩的db6小波分析，分解層數(shù)為3層。

基于位移的小波分解細(xì)節(jié)系數(shù)如圖9所示。從圖中可以看出不同損傷工況下小波分解細(xì)節(jié)系數(shù)在單元21處均出現(xiàn)了奇異點(diǎn)，且隨著模擬損傷程度的不斷增加，奇異性越明顯，說明小波分析能夠識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷部位。

對(duì)模型1.3 m高程處各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)時(shí)程做均方根處理，對(duì)加速度均方根進(jìn)行小波分析，結(jié)果如圖10所示。從圖中同樣可以觀察到損傷的位置，即使對(duì)加速度均方做了平滑處理，其端點(diǎn)處依然存在較大的波動(dòng)。比較兩種響應(yīng)信息的識(shí)別結(jié)果，可以看出，基于結(jié)構(gòu)撓度曲線的損傷位置識(shí)別結(jié)果優(yōu)于基于加速度響應(yīng)的。

因此，基于小波分析可以識(shí)別出損傷部位。但是，對(duì)于此類大體積混凝土結(jié)構(gòu)，無論是基于位移的還是基于加速度的，損傷引起的小波系數(shù)波動(dòng)范圍都在損傷部位兩側(cè)一定范圍內(nèi)。如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)超出這一范圍，則結(jié)構(gòu)的響應(yīng)對(duì)局部的微小損傷不再敏感，或者說，監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)損傷具有局部敏感性。只有當(dāng)損傷由局部發(fā)展到一定程度從而改變結(jié)構(gòu)整體的動(dòng)力特征，損傷影響才具有全局敏感性。

3.2 不同部位的初始損傷次序識(shí)別

0.65g地震動(dòng)作用下壩體不同部位初始損傷出現(xiàn)的次序如圖11所示，位置1為壩體中段折坡處，位置2為壩頭折坡處，位置3為靠近壩底折坡處。

圖12為不同位置的小波分解信息及損傷識(shí)別結(jié)果。從圖中損傷系數(shù)D的發(fā)展曲線可以看出，三個(gè)位置初始損傷出現(xiàn)的次序分別為1.59 s、4.58 s和5.30 s。但是，基于db6小波分解得到的第一尺度細(xì)節(jié)信號(hào)d1在實(shí)際損傷出現(xiàn)時(shí)刻前都有大量微幅波動(dòng)，而基于定量評(píng)估的sk則準(zhǔn)確的判別出初始損傷時(shí)刻，與數(shù)值仿真計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)相吻合。說明結(jié)合小波變換與損傷指標(biāo)能對(duì)不同位置的損傷時(shí)刻給出指示。

圖8 計(jì)算模型及內(nèi)部損傷帶Fig.8 FEM model and internal damage belt

圖10 加速度均方小波損傷識(shí)別Fig.10 Location identification in terms of acceleration square root

(a)部位1

(b)部位2

(c)部位3圖11 壩體不同時(shí)刻的損傷部位Fig.11 Damage onset locations of dam

(a)部位1

(b)部位2

(c)部位3圖12 不同部位的損傷時(shí)刻識(shí)別Fig.12 Damage onset time identification of different locations

4 結(jié) 論

混凝土壩在強(qiáng)震中的損傷破壞部位和損傷程度的識(shí)別對(duì)于大壩安全評(píng)估很重要，但是大壩損傷發(fā)展過程和地震動(dòng)失效模式的識(shí)別同樣具有非常重要的價(jià)值?；趶?qiáng)震后的脈動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)信息不能再現(xiàn)實(shí)際損傷的應(yīng)力狀態(tài)，并不能得到真實(shí)的損傷結(jié)果，也不能得到壩體損傷的時(shí)間發(fā)展過程。必須采取基于強(qiáng)震過程實(shí)時(shí)響應(yīng)信息的損傷識(shí)別方法。

本文通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，對(duì)于小波識(shí)別技術(shù)中存在的小波分解系數(shù)不能準(zhǔn)確的判斷損傷時(shí)刻突變信息的問題，結(jié)合小波分析與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征，采用更具有物理意義的能夠反映觀察窗內(nèi)樣本離散程度的標(biāo)準(zhǔn)差，提出了基于移動(dòng)時(shí)間窗的損傷預(yù)警指標(biāo)，分析了局部損傷對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)部位的影響范圍。結(jié)論如下：

(1)當(dāng)結(jié)構(gòu)某處出現(xiàn)損傷時(shí)，表現(xiàn)在響應(yīng)信號(hào)上為一瞬態(tài)分量，可以通過小波低尺度信號(hào)上的突變峰值識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷。由于小波變換對(duì)某些損傷識(shí)別不敏感，本文提出了一個(gè)損傷預(yù)警指標(biāo)sk，并通過對(duì)三種地震動(dòng)工況的損傷時(shí)刻的識(shí)別以及同一種工況下的三個(gè)不同位置的損傷識(shí)別，驗(yàn)證了該損傷預(yù)警指標(biāo)的有效性和可行性。

(2)利用小波變換把信號(hào)分解為不同頻帶上的信號(hào)值來檢測(cè)信號(hào)的奇異點(diǎn)，通過低尺度極大值出現(xiàn)的位置判斷結(jié)構(gòu)的損傷位置。由于小波本身具有振蕩性，所以在損傷位置附近的測(cè)點(diǎn)上對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的局部損傷也具有一定的敏感性。

本文僅對(duì)該問題作了探索性研究，尚有很多需要改進(jìn)的地方。比如本文所提出的損傷預(yù)警指標(biāo)目前只用于識(shí)別損傷時(shí)刻，還沒有建立損傷指標(biāo)與損傷程度的關(guān)系，有待于深入研究；大體積混凝土結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)損傷在起始階段其影響是局部的，隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，不同部位的損傷對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響將互相耦合，損傷指標(biāo)與地震動(dòng)強(qiáng)度、測(cè)點(diǎn)之間的距離等方面的相關(guān)性也需要更進(jìn)一步的研究。