高清PDF《山地城镇建设安全与防灾协同创新专著系列 支挡结构损伤识别与预警 》陈建功 许明 吴曙光 著 2017年版

前言
随着我国国民经济水平的提高与基础设施建设的不断发展，支挡结构技术水平的提高和减少环境破坏、节约用地观念的加强，支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛，特别是在铁路、公路路基及建筑基础工程中所占的比重也越来越大。可以说支挡结构是城市基础建设中确保山体稳定性和工程建筑物运营安全、造福于人类的重要工程措施。然而由于材料性能、施工质量、后期养护、土质条件、土体受力条件变化、排水、腐蚀效应、地震等一系列人为和自然灾害等因素的影响，加之支挡结构经长期服役后，材料性能老化，自然损伤的不断积累，会出现滑动、倾覆、不均匀沉降、开裂、剥落、腐蚀、伸缩缝位置错缝、锚固失效等各种病害和事故。一旦这些支挡结构失效或者破坏，人民群众的生命财产及国家的巨额基础设施将蒙受巨大的损失。由于支挡结构损伤的出现往往都是局部的和渐变式发展的，在加强施工管理和施工监理基础上，必须要定期的对支挡结构“健康”状况进行监测，及早发现损伤位置和损伤程度并进行有效的维护或者维修是保证支挡结构健康运营的关键。因此，如何对支挡结构进行检测和评估，以确定支挡结构是否存在损伤，进而判别损伤位置和损伤程度以及结构目前的健康状况、使用功能和结构损伤的变化趋势，成为岩土工程结构健康监测与安全评估系统研究的最主要问题。研究开发一种简单、方便、快速、无损、有效的健康诊断方法及仪器，弥补以至取代传统的检测方法，以适应大规模工程施工及运行管理的需要，这对支挡结构的质量管理和健康状况的监控是非常必要和有意义的，具有重要的社会意义和经济价值。
本书包括1~13章，较系统地阐述了用于支挡结构损伤识别和预警的基本理论、方法以及相应仪器的硬软件系统的开发和应用。第1章绪论部分全面综述了与本书相关研究的进展和发展趋势。
2~11章详细论述了支挡结构损伤识别和预警的基本理论和方法，第2章介绍了模态分析基本理论，对结构系统的实模态分析、复模态分析、拉氏变化方法包括频响函数、脉冲响应函数进行了详细论述。第3章从试验模态分析的全过程阐述了适用于支挡结构系统试验模态分析的简便、经济和有效的方法。第4章介绍了支挡结构动测信号的后处理技术，包括采样和量化、加窗、F℉T、平均、数字滤波、细化等。第5章详细论述了对动测信号提取模态参数的各种方法和技术。第6章介绍了采用动力有限元法对支挡结构系统的动力响应模拟及模态分析技术。第7章详细介绍了基于模态参数的损伤识别方法及损伤识别指标，论述了改进多种群遗传算法的支挡结构系统的整体损伤识别方法和分区损伤识别方法。第8章利用时频分析手段对支挡结构系统的动测信号进行分析，包括短时傅里叶变换和小波变换。第9章介绍了基于小波变换的结构动力系统的多尺度分解原理，利用结构动力系统的多尺度分解特性，对支挡结构动力响应信号的能量谱进行分析讨论。第10章详细论述了基于小波包能量谱的结构损伤预警方法，包括结构损伤预警的小波包能量谱计算方法以及结构损伤特征向量与损伤预警指标的计算方法等，从而建立基于小波包能量谱进行支挡结构损伤预警的方法体系。第11章将环境荷载激励技术与小波包分析技术相结合，论述了适合于环境激励下支挡动力响应的小波包能量谱及其损伤预警指标计算方法，并考察这种预警方法的可行性与有效性。
12~13章对支挡结构健康诊断仪的各部分组成进行了介绍，其基本原理是采用环境激励的方式获得时域信号，通过GPRS/3G通信手段传输给计算机，再经软件分析，包括频率分析，小波包频带能量谱分析，对支挡结构进行健康诊断和损伤预警。第12章介绍了支挡结构健康诊断仪硬件系统组成，包括上位机、下位机、无线加速度传感器节点。第13章介绍了软件集成开发环境和Z-Stack源代码的分析，并开发了整个系统的应用软件。
本书的研究工作获得了国家自然科学基金科学仪器基础研究专款基金项目(51027004)“岩土支挡结构健康诊断仪的研制”的资助。该项目负责人、作者的恩师张永兴教授，因工作积劳成疾，在项目研究期间不幸离世，本书的出版是对他最好的怀念。
本书总结了作者关于支挡结构损伤识别和预警的阶段性成果。其中的论点和方法还有待进一步补充、完善和提高，因而对本书存在的不足甚至错误之处，谨请读者批评指正。

内容索引：

目录
1绪论
1.1支挡结构健康监测的意义…1
1.2结构损伤诊断的研究与应用…3
1.2.1结构损伤诊断概述3
1.2.2基于频率的损伤识别技术5
1.2.3基于振型的损伤识别技术6
1.2.4基于遗传算法的损伤识别技术…2
1.2.5基于小波分析的结构损伤识别技术…8
1.3远程监控系统研究现状…11
2模态分析基本理论…13
2.1振动结构的物理参数模型…13
2.2振动结构系统的实模态分析…14
2.2.1无阻尼系统的模态分析…14
2.2.2比例阻尼系统…16
2.3一般阻尼系统的复模态分析…17
2.3.1单自由度系统17
2.3.2多自由度系统…18
2.4模态分析的拉氏变换方法…20
2.4.1传递函数与频响函数…20
2.4.2频响函数的物理意义…20
2.4.3系统频响函数与模态参数的关系…21
2.4.4脉冲响应函数22
2.4.5频响函数的模态展式…22
3支挡结构模态测试技术24
31概述…24
3.2激励方式与装置…25
3.2.1激励方式…25

3.2.2激励装置…26
3.2.3激励信号…27
3.3时间历程测试技术28
3.3.1振动信号测量…28
3.3.2数据采集系统…31
3.3.3传感器布置原则…32
3.3.4混频现象的控制…33
3.4冲击试验33
3.4.1单次冲击激励力谱…33
3.4.2随机冲击激力谱…35
3.4.3DFC-2高弹性聚能力锤性能及控制技术36
3.4.4冲击试验中应注意的问题…39
3.5支挡结构实验模态预实验分析…40
3.5.1传感器的优化配置…40
3.5.2实验激励点和响应点的选取步骤及结果…42
3.6支挡结构模态试验42
3.6.1悬臂板式挡墙模态试验…44
3.6.2现场支挡结构模态试验…47
4支挡结构动态信号后处理技术…52
4.13引言…52
4.1.1模拟信号的离散化…52
4.1.2混频效应、时域和频域采样定理…53
4.1.3泄漏和窗函数*…55
4.2动测信号的预处理方法**58
4.2.1消除多项式趋势项…58
4.2.2采样数据的平滑处理59
4.3动测信号的频域处理方法…61
4.3.1傅里叶变换…62
4.3.2选带分析技术…66
4.3.3随机振动信号的频谱处理技术…67
4.3.4平均技术…71
4.4动测信号的时域处理方法…73
4.4.1数字滤波…73
4.4.2振动信号的积分和微分变换…74

4.4.3随机振动信号时域处理方法…75
5支挡结构模态参数识别技术…79
5.1摸态参数识别的概念79
5.2模态参数识别方法分类…80
5.2.1按处理各阶模态耦合所采用的方法分类…80
5.2.2按模态参数识别手段分类…80
5.2.3按输入输出数目分类…81
5.2.4按识别域分类…82
5.2.5按工作状态分类…87
5.3EMA(试验模态参数)频率识别方法89
5.3.1传递函数分析…89
5.3.2变时基频响函数分析…90
5.3.3导纳圆拟合法…92
5.3.4最小二乘迭代法96
5.3.5加权最小二乘迭代法98
5.3.6有理分式多项式方法99
5.3.7正交多项式方法104
5.3.8频域模态参数识别方法比较110
5.4EMA时域识别方法111
5.4.11TD方法…111
5.4.2STD方法…114
5.4.3复指数法115
5.4.4ARMA模型时间序列分析法119
5.4.5时域模态参数识别方法比较121
5.5整体识别方法123
5.5.1整体正交多项式法…123
5.5.2特征系统实现法…124
5.5.3悬臂板式挡墙模态实验分析结果128
5.5.4现场悬臂式挡土墙模态试验分析成果…132
6支挡结构数值模态分析技术134
6.1支挡结构系统低应变动力响应数值模拟…134
6.1.1支挡结构结构系统低应变动力响应的有限元分析方法·134
6.1.2支挡结构系统低应变动力响应的三维有限元模拟·137

6.2支挡结构系统简化动测数值模型143
6.2.1模型基本假定143
6.2.2土体附加参数理论分析144
6.3参数识别的有限元优化设计145
6.3.1优化设计的数学模型145
6.3.2优化设计的基本概念146
6.3.3有限元优化技术148
6.3.4收敛准则149
6.3.5土体附加参数识别步骤149
6.4土体附加参数识别结果分析152
6.4.1结果对比分析152
6.4.2阻尼影响分析154
7基于模态参数的支挡结构损伤识别156
7.1支挡结构损伤识别指标156
7.1.1模态平均曲率差MMCD158
7.1.2柔度差平均曲率FDMC159
7.1.3损伤程度识别161
7.1.4算例分析162
7.2支挡结构系统损伤识别的改进多种群遗传算法172
7.2.1改进多种群遗传算法172
7.2.2整体损伤识别方法…177
7.2.3分区损伤识别方法185
8支挡结构动测信号的时频分析191
8.1支挡结构动测信号的一般时频分析191
8.1.1支挡结构系统动测信号的短时傅里叶变换192
8.l.2支挡结构系统动测信号的Wigner-Ville分布…194
8.2支挡结构系统动测信号的小波分析…196
8.2.1小波变换的基本原理…196
8.2.2多分辨率分析与Mallat算法…199
8.2.3小波包分析…205
9支挡结构动力响应的能量谱分析212
9.1支挡结构系统的多尺度损伤分析原理212

9.1.1结构动力系统描述212
9.1.2信号的多尺度表示及FOWPT算法…214
9.1.3结构动力系统的多尺度描述…216
9.1.4结构动力系统的多尺度损伤分析…218
9.1.5结构动力系统多尺度分解的噪声鲁棒性分析…219
9.2基于能量谱的支挡结构多尺度损伤分析…221
9.2.1基于分解系数的能量谱小波包子带能量谱221
9.2.2基于分解系数的小波包时频能量谱222
9.2.3基于节点能量的小波包子带能量谱227
9.2.4基于节点能量的小波包时频能量谱228
10支挡结构系统损伤预警方法…234
10.1支挡结构动力响应的小波包能量谱的计算方法…234
10.1.1小波函数的选择234
101.2小波包分解层次的选择…241
10.2基于小波包能量谱的支挡结构损伤预警方法…242
10.2.1结构特征向量和特征频带（时频带）的构建…242
10.2.2基于损伤特征向量的支挡结构损伤特征指标…246
10.2.3支挡结构损伤预警指标的选择248
10.2.4基于时频特征向量的损伤预警指标的预警效果…253
11环境激励下的支挡结构损伤预警方法256
11.1NExT自然激励响应法256
11.2虚拟脉冲响应函数法…266
12支挡结构健康诊断仪的硬件设计274
12.1支挡结构健康诊断仪硬件系统组成…274
12.1.1无线加速度传感器节点…274
12.1.2下位机…275
12.1.3上位机…275
12.2 ZigBee技术及其协议标准276
12.2.1 ZigBee技术发展概况276
12.2.2 ZigBee技术特点276
12.2.3 ZigBee与其他短距离无线通信技术的比较277
12.2.4 ZigBee数据采集系统采集数据的原理278

12.3无线加速度传感器节点硬件设计279
12.3.1无线加速度传感器的工作原理…279
12.3.2加速度传感器的选择…280
12.3.3无线ZigBee模块283
12.3.4 ZigBee射频模块286
12.3.5电源模块…287
12.3.6其他外围电路…288
12.3.7外接941B型振动传感器288
12.4下位机、上位机硬件设计…289
12.4.1下位机…289
12.4.2上位机…291
12.5太阳能充电控制系统…292
13支挡结构健康诊断仪软件开发293
13.1AR软件开发环境…293
13.2 ZigBee协议栈实现293
13.2.1Z-Stack协议栈源程序…294
13.2.2 ZigBee星型网的组网设计与实现296
13.3数据采集系统的软件设计…300
13.3.1终端节点数据采集的软件程序…300
13.3.2协调器软件…301
13.3.3工控机软件…301
13.4建立下位机与上位机的联系…303
13.4.1下位机工控机的设置…303
13.4.2MR-900E(3G路由器)设置…305
13.4.3上位机设置305
134.4数据共享…306
13.5上位机的软件…306
13.5.1动测信号传统分析…306
13.5.2支挡结构损伤预警系统软件…313
参考文献318

投稿会员：可爱莹