基于傳遞率函數(shù)與信息熵的混凝土壩裂縫損傷識(shí)別指標(biāo)

羅德河+鄭東健+胡德華+謝榮暉+甘聲玄

摘要：混凝土壩運(yùn)行過程中受到的振動(dòng)激勵(lì)信息一般難以精確獲取，基于傳遞率函數(shù)理論，對(duì)混凝土壩施加一定的振動(dòng)激勵(lì)，通過測得的動(dòng)力響應(yīng)信息計(jì)算傳遞率函數(shù)，同時(shí)利用信息熵及互信息可以表征變量的信息特征及相關(guān)性，提出了識(shí)別和定位結(jié)構(gòu)損傷的指標(biāo)。這種方法不需要獲得外界的激勵(lì)信息，直接利用結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息提取損傷特征?；炷林亓蔚姆抡婧驮囼?yàn)結(jié)果表明，在損傷程度高于3%的情況下，施加的振動(dòng)激勵(lì)能較好地實(shí)現(xiàn)損傷識(shí)別和定位，并適用于單一損傷和多損傷；根據(jù)結(jié)構(gòu)特性合理優(yōu)化布置測點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)局部損傷識(shí)別，對(duì)混凝土壩的損傷檢測有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：混凝土壩；動(dòng)力響應(yīng)；損傷識(shí)別；傳遞率函數(shù)；信息熵

中圖分類號(hào)：TV698.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）-05-0141-05

大壩等水工混凝土結(jié)構(gòu)作為流域上興利除害的重要建筑物，其健康狀況的實(shí)時(shí)獲取與評(píng)估，對(duì)大壩的安全運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。我國已建的大壩數(shù)量眾多，截止2005年底在建和已建30 m以上的大壩共4 860座，混凝土壩數(shù)量占了26.2%。經(jīng)過長期運(yùn)行后可能產(chǎn)生局部損傷，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些損傷，將會(huì)影響大壩的整體運(yùn)行性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2013年，我國已建水庫97 246座，其中病險(xiǎn)水庫大壩有4.7萬余座，這些存在安全隱患的大壩，對(duì)發(fā)揮正常效益產(chǎn)生影響。因此，定期或?qū)崟r(shí)獲取混凝土壩的健康狀況對(duì)大壩正常運(yùn)行至關(guān)重要。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者基于振動(dòng)理論對(duì)結(jié)構(gòu)損傷和定位進(jìn)行了大量的研究，并在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FENG等對(duì)比和討論了傳遞率函數(shù)與互相關(guān)分析方法，并對(duì)地鐵隧洞的損傷進(jìn)行識(shí)別；Chesn等研究了傳遞率函數(shù)在非離散體系中損傷識(shí)別的應(yīng)用，并擴(kuò)展到離散體系中；Zhu等利用多自由度的彈簧-質(zhì)量-阻尼模型進(jìn)行傳遞率函數(shù)的損傷敏感性分析；顧建祖等將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解與傳遞率函數(shù)結(jié)合用于檢測玻璃幕墻損傷并取得一定效果；楊斌等對(duì)振動(dòng)響應(yīng)信息進(jìn)行小波分解，對(duì)求解得到的多尺度振動(dòng)傳遞率函數(shù)計(jì)算灰度矩向量，從而提取出損傷指標(biāo)?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行損傷識(shí)別的方法，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，但是在土木水利工程中的應(yīng)用還處在模態(tài)參數(shù)識(shí)別和損傷診斷的初步階段。由于水工建筑物結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對(duì)于這類大體積的混凝土結(jié)構(gòu)而言，不容易施加激勵(lì)，目前水工振動(dòng)無損檢測還沒有形成一種適用性廣的檢測方法。在前人研究的基礎(chǔ)上，將傳遞率函數(shù)理論應(yīng)用到復(fù)雜的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行動(dòng)力損傷診斷。對(duì)混凝土壩施加一定的振動(dòng)激勵(lì)，利用傳遞率函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用動(dòng)力響應(yīng)信息研究混凝土壩等大體積結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別。

1基本理論

1.1傳遞率函數(shù)

動(dòng)力學(xué)中具有n個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)基本方程可以表示為

2.2損傷情況設(shè)置與損傷識(shí)別

為了模擬裂縫出現(xiàn)的一般情況，設(shè)置了一條裂縫與兩條裂縫的情況；同時(shí)對(duì)同一位置縫的不同深度進(jìn)行研究，即對(duì)裂縫深度占該處壩寬的百分比（以下稱損傷程度）進(jìn)行敏感性分析，分析損傷指標(biāo)對(duì)裂縫深度的敏感性，損傷情況設(shè)置見表2。

將有限單元法計(jì)算所得的加速度響應(yīng)添加一定的高斯白噪聲（SNR=40 db）以模擬實(shí)際環(huán)境噪聲干擾下的觀測數(shù)據(jù)。不同的損傷情況識(shí)別結(jié)果見圖3、圖4、圖5。圖3可以看出，對(duì)于一條裂縫情況，當(dāng)損傷程度高于3%時(shí)，損傷指標(biāo)都能很好地定位出不同損傷情況下測點(diǎn)7-8之間存在損傷，其他未損傷測點(diǎn)對(duì)有一定的值，但都在較小的范圍內(nèi)，不影響總體的識(shí)別。同時(shí)損傷程度越大，相應(yīng)的指標(biāo)值也有所增大，說明該指標(biāo)在一定程度上能判斷損傷的程度。當(dāng)結(jié)構(gòu)存在多條裂縫且損傷程度高于3%時(shí)，如圖4所示，不同損傷情況下的兩組測點(diǎn)對(duì)4-5，測點(diǎn)對(duì)7-8損傷指標(biāo)較高，說明該處存在損傷。同時(shí)可以看出相同損傷程度情況下，測點(diǎn)7-8之間的損傷指標(biāo)要高于測點(diǎn)4-5之間的損傷指標(biāo)，這說明損傷敏感性由壩底向壩頂遞減。從圖4可以看出，當(dāng)損傷程度小于3%時(shí)，不同損傷情況下的識(shí)別精度較低，說明對(duì)于微小損傷敏感性較低。

在實(shí)際應(yīng)用中，利用上述結(jié)論，可以對(duì)測點(diǎn)布置進(jìn)行優(yōu)化從而可以更精確地判斷損傷的位置與程度。如可以采用梅花形布置方式，通過計(jì)算各相鄰測點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定是否存在損傷，這種方法可以檢測出局部的損傷，因而有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提出方法的可行性，按照幾何相似原則制作混凝土重力壩模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟牧喜捎没炷辽皾{，質(zhì)量密度為2 100 kg/m³。壩體橫截面底部寬42.45 cm，壩頂寬4.2cm，高57.6cm，利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。壩體上游面布置6個(gè)單向壓電式加速度傳感器，設(shè)置單一裂縫和兩條裂縫損傷情況，裂縫及傳感器布置見圖6。用DY-600-5型振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，DSPACE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，采樣頻率為4 000 Hz。為模擬損傷，在靠近壩踵處設(shè)置人工縫，考慮損傷程度為15%，10%，5%三種損傷情況，分別對(duì)應(yīng)損傷情況N、O、O，以及靠近壩頂與壩踵處分別設(shè)置40%和15%的損傷，對(duì)應(yīng)損傷情況O進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)模型施加高斯白噪聲激勵(lì)，峰值為0.5 g，無損情況下各測點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)見圖7，并對(duì)測得的各傳感器振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到不同損傷情況下模型的損傷指標(biāo)見圖8和圖9。壩踵處各損傷情況的損傷定位結(jié)果見圖8，可以看出，5-6測點(diǎn)對(duì)的損傷指標(biāo)均較大，表明測點(diǎn)對(duì)5-6間存在損傷，與實(shí)際情況相一致，隨著損傷程度增加損傷指標(biāo)也相應(yīng)增加。兩條裂縫情況損傷識(shí)別結(jié)果見圖9，測點(diǎn)對(duì)1-2和測點(diǎn)對(duì)5-6的損傷指標(biāo)均較大，表明這兩處存在損傷，與實(shí)際情況一致，說明損傷程度高于3%以上都能識(shí)別出。由于試驗(yàn)過程中可能受到外界干擾因素的影響，因而未損傷處也有一定的損傷指標(biāo)值，但是整體來看對(duì)各損傷情況用本文定義的損傷指標(biāo)能較好地識(shí)別和定位，因而驗(yàn)證了該方法的可行性。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理的布置傳感器，通過采集系統(tǒng)可以獲得壩體的響應(yīng)信息，并采集不同測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)信息分別計(jì)算損傷指標(biāo)并結(jié)合實(shí)際情況分析，從而可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩異常。

4結(jié)語

（1）利用傳遞率函數(shù)和信息熵理論提出了適用于混凝土壩損傷信息識(shí)別損傷指標(biāo)，并通過數(shù)值仿真與模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該指標(biāo)的可行性。

（2）對(duì)于損傷程度高于3%的情況，對(duì)單一裂縫和多條裂縫本文提出的損傷指標(biāo)都能較好地進(jìn)行識(shí)別，并且不同位置的損傷互不影響。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，還應(yīng)進(jìn)行傳感器的優(yōu)化布置、診斷系統(tǒng)的建立，將這種損傷檢測方法應(yīng)用于實(shí)際工程中，仍有許多工作需要做。