李成明,王啟明,3,朱瑞虎,胡 艷,王泊淳

(1.河海大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院,南京 211100;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院,南京 210098;3.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)

高樁碼頭是我國港口中重要的碼頭形式之一。在其服役期間,常因船舶撞擊、海水腐蝕等原因?qū)е聵痘鶕p傷,致使承載能力下降,嚴(yán)重情況下會(huì)危及碼頭安全。因此,對(duì)樁基進(jìn)行損傷識(shí)別和健康監(jiān)測(cè)具有重要的意義和價(jià)值[1-2]。目前,工程中常用的樁基損傷識(shí)別方法為靜載法、低應(yīng)變法和高應(yīng)變法[3-5]。三者均需要在樁身切出傳感器安放平臺(tái)和激振平臺(tái),過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力且會(huì)對(duì)樁基安全性和耐久性造成不利影響,無法實(shí)現(xiàn)真正的無損檢測(cè)[6]。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)及光纖傳感設(shè)備的不斷發(fā)展,基于動(dòng)力指紋(主要是頻率、模態(tài)及衍生指標(biāo))的樁基無損診斷的研究成為研究熱點(diǎn)。孫熙平等[7]提出了一種環(huán)境激勵(lì)下高樁碼頭NExT-ERA模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法,通過該方法能夠較準(zhǔn)確地識(shí)別基樁損傷部位。李肖等[8]提出一種基于曲率模態(tài)的樁基損傷識(shí)別方法,該方法通過損傷后的真實(shí)曲率模態(tài)相對(duì)于擬合曲率模態(tài)的突變來判別損傷位置。王啟明等[9]研究了1階頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)柔度在高樁碼頭樁基損傷識(shí)別中的適用性,通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬表明該方法能準(zhǔn)確定位樁基損傷位置,且具有較好的魯棒性。朱瑞虎等[10]通過建立高樁碼頭模型,采用有限元數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)驗(yàn)證了模態(tài)應(yīng)變能在高樁碼頭樁基損傷識(shí)別中的適用性。Wang等[11]提出了一種基于曲率模態(tài)差的樁基損傷識(shí)別方法,并通過數(shù)值和物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。Zhu等[12]提出一種基于多維動(dòng)力指紋的損傷識(shí)別方法,該方法利用馬氏距離定義受損單元與未損傷單元之差,通過有限元模型和試驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。但是,模態(tài)參數(shù)識(shí)別依賴于外部激勵(lì)形式以及數(shù)值算法,由于高階模態(tài)易受外部噪聲影響,現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)都是基于結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)診斷損傷[13];同時(shí),由于模態(tài)參數(shù)識(shí)別的誤差,模態(tài)特征對(duì)局部損傷檢測(cè)的敏感性不足,且對(duì)于較小的損傷,模態(tài)分析的損傷定位能力不顯著[14-15]。

在實(shí)際應(yīng)用中,獲取碼頭動(dòng)力指紋通常需要船舶撞擊等手段進(jìn)行激勵(lì),成本高且影響碼頭安全。波浪是影響樁基健康的一種重要且長(zhǎng)期的外部激勵(lì)[16],研究波浪激勵(lì)下動(dòng)力響應(yīng)對(duì)樁基的健康診斷具有重要意義。然而,由于波浪激勵(lì)是一個(gè)窄帶隨機(jī)過程,這與模態(tài)參數(shù)識(shí)別的白噪聲激勵(lì)和脈沖激勵(lì)條件相悖[17],根據(jù)波浪激勵(lì)下動(dòng)力響應(yīng)獲得的動(dòng)力指紋誤差較大,易對(duì)損傷產(chǎn)生誤判和錯(cuò)判。因此,基于信號(hào)分解與統(tǒng)計(jì)推斷的損傷識(shí)別方法逐漸受到學(xué)者們的關(guān)注[18-20],該技術(shù)通過獲取結(jié)構(gòu)在各種情況下的振動(dòng)特征,進(jìn)而構(gòu)造統(tǒng)計(jì)指標(biāo)反映結(jié)構(gòu)損傷情況[21]。Hilbert-Huang變換(Hilbert-Huang transform,HHT)由Huang等[22]提出,其包含經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)和Hilbert變換兩個(gè)過程。一般先利用EMD將信號(hào)分解為本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode functions,IMFs),再利用Hilbert變換求得一系列特征。這種信號(hào)處理方法是完全自適應(yīng)的、不受Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理制約,且適用于非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的分析[23]。但EMD存在一個(gè)固有缺陷,即模態(tài)混疊[24]。鑒于此,Torres等[25]提出了自適應(yīng)噪聲的完備集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise,CEEMDAN),該分解方法得到的結(jié)果中噪聲被大大減少,并且顯著改善了模態(tài)混疊現(xiàn)象。

眾多學(xué)者基于上述算法處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信號(hào),并將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域。Zhu等[26]結(jié)合EMD、主成分分析和獨(dú)立主成分分析構(gòu)建了一種溫度誘導(dǎo)響應(yīng)提取方法,并通過桁架橋試驗(yàn)驗(yàn)證了通過移動(dòng)主成分分析能提高發(fā)現(xiàn)損傷的概率。Xiao等[27]提出一種移動(dòng)車輛條件下橋梁特征提取方法,該方法對(duì)加速度信號(hào)使用CEEMDAN和Hilbert變換提取Hilbert譜,結(jié)合有限元分析證明了該方法對(duì)譜特征的提取更具優(yōu)勢(shì)。Mousavi等[28]基于CEEMDAN對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分解,利用多信號(hào)分類算法求得IMFs的空間頻譜,以此反映損傷前后頻率變化,通過桁架橋模型試驗(yàn)證明了該方法優(yōu)于傳統(tǒng)頻域分析技術(shù)?；贓MD及其衍生算法在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用也陸續(xù)展開,Hu等[29]基于EMD和譜特征分析,構(gòu)造了一種提取波浪激勵(lì)下動(dòng)力響應(yīng)特征的新方法,結(jié)果顯示提取的信號(hào)具有穩(wěn)定性,有效提高了損傷識(shí)別的可靠性。Yang等[30]為提高復(fù)雜海洋環(huán)境下船舶輻射噪聲特征的提取水平,結(jié)合CEEMDAN和能量構(gòu)造分配比率作為特征向量的估計(jì),利用自組織映射實(shí)現(xiàn)特征提取。Li等[31]基于CEEMDAN提出一種海洋環(huán)境下水聲去噪技術(shù),該方法先將信號(hào)分解為IMFs,進(jìn)而構(gòu)造互信息、排列熵等特征進(jìn)行噪聲剔除,通過模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)仿真驗(yàn)證了該方法的有效性?，F(xiàn)有成果表明CEEMDAN在精確度、復(fù)雜度、可用度等方面較其他方法存在優(yōu)越性[32]。而同時(shí),高樁碼頭作為一種超靜定結(jié)構(gòu),其在波浪激勵(lì)下基于CEEMDAN的動(dòng)力響應(yīng)分解、特征信號(hào)提取及損傷識(shí)別指標(biāo)構(gòu)建缺乏系統(tǒng)研究。

本文針對(duì)波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)非線性、非平穩(wěn)、多類型信號(hào)混疊的特性,結(jié)合CEEMDAN與K-means++構(gòu)建自動(dòng)信號(hào)分解與重構(gòu)方法,從中提取損傷特征子信號(hào)。針對(duì)單一特征在損傷識(shí)別效果方面的不足,本文基于能量與相位提出一種新型復(fù)合能量損傷識(shí)別因子。進(jìn)一步,設(shè)計(jì)波浪激勵(lì)下高樁碼頭樁基損傷試驗(yàn),以研究新策略在高樁碼頭樁基損傷識(shí)別中的有效性與敏感性。結(jié)果表明,復(fù)合能量因子能有效改善損傷識(shí)別效果,成功識(shí)別出損傷存在、損傷位置與損傷程度。

1 樁基動(dòng)力響應(yīng)重構(gòu)與損傷指標(biāo)構(gòu)造

波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)由多類型信號(hào)混疊而成,通過CEEMDAN能夠?qū)⑵浞纸鉃槎鄠€(gè)分量,進(jìn)而構(gòu)造IMFs分類函數(shù)重構(gòu)獲得不同類型的響應(yīng),最后針對(duì)損傷敏感信號(hào)提取特征并構(gòu)造損傷指標(biāo)用于損傷識(shí)別。

1.1 動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)分解方法

EMD方法首先是對(duì)原始信號(hào)求取局部最大值和局部最小值,然后擬合上下包絡(luò)線,并計(jì)算兩者的均值。如果該均值同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件,則稱其為一個(gè)IMF分量:① 在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi),局部極值點(diǎn)與零點(diǎn)個(gè)數(shù)相等或至多相差一個(gè);② 在任意時(shí)刻,上下包絡(luò)線的均值必須為0。若不滿足條件,則用原始信號(hào)減去該均值得到一個(gè)新的殘差序列,對(duì)該序列重復(fù)上述過程,直到滿足以上兩個(gè)條件。

CEEMDAN方法中IMF1的計(jì)算首先對(duì)原始信號(hào)多次添加白噪聲形成若干新信號(hào),再利用EMD對(duì)這些信號(hào)分別進(jìn)行分解,對(duì)多組分解結(jié)果中IMF1進(jìn)行平均得到最終結(jié)果,計(jì)算IMF2時(shí)需要對(duì)殘差項(xiàng)多次添加白噪聲經(jīng)EMD分解后的IMF1形成若干新信號(hào),再對(duì)這些新信號(hào)進(jìn)行EMD得到IMFs,最后對(duì)多組IMFs中IMF1進(jìn)行平均得到IMF2,后續(xù)IMF分量的計(jì)算重復(fù)該過程。

利用CEEMDAN最終得到n個(gè)IMF及1個(gè)殘差項(xiàng)r(t),即:

(1)

式中,x(t)為時(shí)間樣本數(shù)為T的原始信號(hào)。

功率譜密度(power spectral density,PSD)的計(jì)算將原始信號(hào)x(t)看作能量有限的序列,假設(shè)N=2M,M取當(dāng)N≥T時(shí)的最小正整數(shù),對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到FFT[x(t)]。從而得到功率譜密度的估計(jì)值

(2)

式中,fs表示采樣頻率。PSD第k個(gè)值對(duì)應(yīng)的頻率為

(3)

CEEMDAN得到的結(jié)果中包含多個(gè)類型的信號(hào)及存在模態(tài)混疊現(xiàn)象,并且為了獲得損傷特征子信號(hào),需要對(duì)IMFs進(jìn)行重構(gòu)。為了輔助分類,首先對(duì)每個(gè)IMF的PSD進(jìn)行積分,得到頻率fk處的累積譜分布(cumulative spectral distribution,CSD),以獲取其頻譜特征[33]

(4)

上述方法缺點(diǎn)在于分類時(shí)需要人為設(shè)定閾值點(diǎn),不利于構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系。聚類分析作為數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)之一,通過將數(shù)據(jù)自動(dòng)分為不同的簇,從中發(fā)現(xiàn)相似的對(duì)象或信息[34]。K-means++是對(duì)K-means聚類算法的改進(jìn),其主要優(yōu)勢(shì)在于改進(jìn)了初始中心點(diǎn)的選擇方式,通過引入隨機(jī)概率的方式選擇中心點(diǎn),避免了傳統(tǒng)K-means算法中隨機(jī)初始化中心點(diǎn)可能帶來的局部最優(yōu)解問題,從而可以提高聚類的準(zhǔn)確性和魯棒性[35]。本文將CSDs視為數(shù)據(jù)對(duì)象,采用K-means++對(duì)具有共同數(shù)據(jù)特征的對(duì)象進(jìn)行聚類[36],從而實(shí)現(xiàn)IMFs的自動(dòng)重構(gòu)。為了得到更好的聚類效果,選擇歐式距離作為同步度量,并在聚類前對(duì)CSDs進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,公式為

(5)

此外,本文選擇輪廓系數(shù)為最佳聚類數(shù)提供參考[37],假設(shè)樣本i被歸為簇A,樣本對(duì)應(yīng)的輪廓系數(shù)及該次聚類的輪廓系數(shù)定義為

(6)

(7)

式中:a(i)為樣本i與同簇其他樣本的平均距離;b(i)為樣本i到其他簇中樣本平均距離的最小值。輪廓系數(shù)取值范圍為[-1,1],其值越大說明選擇該值對(duì)應(yīng)的聚類數(shù)得到的聚類結(jié)果越合理、有效,通過輪廓系數(shù)曲線可以對(duì)分類數(shù)選擇進(jìn)行判定。

1.2 損傷指標(biāo)的構(gòu)造

結(jié)構(gòu)性的損傷會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)某些特征發(fā)生改變,根據(jù)這一特點(diǎn),本節(jié)對(duì)提取的損傷特征子信號(hào)進(jìn)行Hilbert變換,從中提取瞬時(shí)振幅、相位等特征,以此構(gòu)造相應(yīng)的損傷指標(biāo)用于對(duì)高樁碼頭樁基的損傷識(shí)別。

Hilbert變換是得到多個(gè)特征的基礎(chǔ),該變換的公式為

(8)

(9)

(10)

當(dāng)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或系統(tǒng)的狀態(tài)變成異常狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)自身的能量也會(huì)隨之變化,所以能量通常能較好地反映結(jié)構(gòu)損傷[38-39]。瞬時(shí)能量及某個(gè)信號(hào)能量的計(jì)算公式為

(11)

(12)

在得到能量和相位特征后,分別基于兩者構(gòu)造相應(yīng)的損傷指標(biāo)[40]

(13)

(14)

根據(jù)Cheraghi等[41-42]的研究,振動(dòng)信號(hào)和結(jié)構(gòu)剛度的任何變化都會(huì)引起能量和相位的變化。因此,當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷出現(xiàn)時(shí),DI(E)和DI(P)的值也會(huì)改變,從而反映結(jié)構(gòu)響應(yīng)的突變。Mousavi 等通過鋼桁架橋模型敲擊試驗(yàn)驗(yàn)證了DI(E)和DI(P)都包含結(jié)構(gòu)損傷位置、損傷程度信息,且DI(E)的識(shí)別效果優(yōu)于DI(P)。由于波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)非平穩(wěn)、信噪比低、多類型混疊等原因,本文綜合考慮將兩者融合,基于能量和相位構(gòu)建一個(gè)更敏感的組合損傷指標(biāo),以此提高對(duì)樁基損傷識(shí)別的敏感性和魯棒性,達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別樁基損傷存在、損傷位置與損傷程度的效果。基于DI(E)和DI(P)構(gòu)建復(fù)合能量因子

(15)

圖1為本文流程圖,展示了由試驗(yàn)到損傷識(shí)別的過程。

圖1 波浪激勵(lì)下樁基損傷識(shí)別流程圖

2 基于模型試驗(yàn)的驗(yàn)證

為了更好揭示波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)的規(guī)律性,本文在實(shí)驗(yàn)室條件下建立了高樁碼頭樁基模型,用于研究樁基損傷識(shí)別理論與方法。在此基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行分解并提取目標(biāo)信號(hào),進(jìn)而構(gòu)造損傷指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪激勵(lì)下高樁碼頭樁基的損傷識(shí)別。

2.1 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)在河海大學(xué)港口航道工程與海岸海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心完成。模型長(zhǎng)0.9 m、寬0.75 m、高1.65 m,共1跨,排架間距為0.65 m,碼頭前沿和中間為單直樁,后方為一對(duì)叉樁,樁身采用直徑0.06 m、壁厚2 mm的Q235鋼管樁,碼頭上部橫梁、縱梁、面板采用鋼筋混凝土澆筑,樁頂設(shè)置樁帽,鋼管樁頂部伸入樁帽,使得樁身與上部結(jié)構(gòu)之間的連接為固定連接。在模型設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)研究?jī)?nèi)容對(duì)邊界條件進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化,本文重點(diǎn)研究樁基泥面以上的動(dòng)力損傷識(shí)別,考慮實(shí)際工程中樁基固結(jié)深度以下實(shí)際位移為零,所以將模型底部設(shè)計(jì)為固結(jié),模型如圖2所示。

(a) 模型俯視圖

試驗(yàn)所用風(fēng)、浪、流水槽長(zhǎng)85.0 m、寬1.0 m、高1.5 m,如圖3所示。配備帶有二次反射波全吸收裝置的伺服電機(jī)型水槽,具有不規(guī)則波浪造波機(jī)、循環(huán)水流系統(tǒng)、加風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備,能模擬波高0～0.3 m、波周期0.5～5 s的規(guī)則波與不規(guī)則波,具備研究海洋建筑物在二維規(guī)則與不規(guī)則波作用下的各種動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制的能力。

圖3 試驗(yàn)水槽

碼頭直樁基長(zhǎng)為1.3 m,其被平均分成13段,每段長(zhǎng)0.1 m。拾振器采用YD-186型壓電式加速度傳感器,傳感器布置在樁身的節(jié)點(diǎn)位置,模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)和傳感器布置如圖4所示。為了模擬實(shí)際工程中浪濺區(qū)損傷樁基的情況,損傷設(shè)置在圖4(a)中節(jié)點(diǎn)5～6之間。損傷工況為剛度EI(E為彈性模量,I為截面慣性矩)分別下降5%、10%、30%得到。試驗(yàn)中采用改變結(jié)構(gòu)幾何尺寸減小截面慣性矩實(shí)現(xiàn)剛度下降。高樁碼頭模型樁身為圓環(huán)截面,圓環(huán)截面軸慣性矩計(jì)算公式如下

(16)

(a) 區(qū)段分布圖

式中:D為圓環(huán)外圓直徑;d為圓環(huán)內(nèi)圓直徑。計(jì)算得到截面縫寬如表1所示。損傷位置及傳感器位置與波浪方向的關(guān)系如圖5(a)所示。

表1 試驗(yàn)損傷工況設(shè)置

(a) 損傷樁的橫截面

本試驗(yàn)采用水深1.0 m,周期1 s,波高為0.1 m的規(guī)則波作為外部激勵(lì)。采集設(shè)備采用DH5920動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多通道并行同步采集,單通道采樣頻率為1 000 Hz,測(cè)試方向?yàn)閬聿ǚ较?以此獲取波浪激勵(lì)下樁基模型在不同損傷程度下13個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度信號(hào)。

2.2 動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)分解與損傷特征子信號(hào)的提取

損傷5%工況下獲取的節(jié)點(diǎn)5處加速度信號(hào)如圖6所示?？梢钥闯?該加速度信號(hào)由表示不同物理過程的信號(hào)(包含漂移項(xiàng)、周期信號(hào)、沖擊信號(hào)等)共同組成。分解結(jié)果及對(duì)應(yīng)的PSD如圖7～9所示,圖中IMFs由高頻向低頻排列。可以看出,雖然CEEMDAN是EMD算法的改進(jìn),但在復(fù)雜波浪激勵(lì)環(huán)境下得到分解結(jié)果仍存在部分模態(tài)混疊現(xiàn)象,如IMF1～I(xiàn)MF2的頻率在300 Hz附近,IMF3～I(xiàn)MF4的頻率均在100 Hz,即相同頻率或尺度的信號(hào)分布在不同的IMF分量中,所以需要對(duì)其進(jìn)行分類與重構(gòu)。

圖6 在5%損傷情況下節(jié)點(diǎn)5處20 s的加速度信號(hào)

圖7 IMF1～I(xiàn)MF4與對(duì)應(yīng)的PSDs

圖8 IMF5～I(xiàn)MF8與對(duì)應(yīng)的PSDs

圖9 IMF9～I(xiàn)MF12與對(duì)應(yīng)的PSDs

根據(jù)圖10輪廓系數(shù)結(jié)果將聚類數(shù)設(shè)為5,利用K-means++對(duì)CSD進(jìn)行聚類,結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,IMF1～I(xiàn)MF2、IMF3～I(xiàn)MF5、IMF6～I(xiàn)MF7、IMF8～I(xiàn)MF9、IMF10～I(xiàn)MF12各被分為一類。其中IMF1～I(xiàn)MF2為局部彎曲響應(yīng),IMF3～I(xiàn)MF4表示全局彎曲響應(yīng),IMF6～I(xiàn)MF7表示剛體動(dòng)態(tài)響應(yīng),IMF8～I(xiàn)MF9表示準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng),IMF10～I(xiàn)MF12為顯著低頻信號(hào),屬于信號(hào)漂移項(xiàng)[43]。值得注意的是由于在中國使用的交流電頻率為50 Hz,利用加速度傳感器收集信號(hào)時(shí)不可避免地會(huì)受到影響,IMF5對(duì)應(yīng)交流電信號(hào)。該分量由于頻譜特征清晰,在研究過程中容易被誤認(rèn)為是有效信號(hào)加以利用,需要研究者們?cè)谛盘?hào)分析時(shí)予以剔除。

圖10 不同聚類數(shù)時(shí)利用K-means++得到的輪廓系數(shù)

圖11 利用K-means++對(duì)IMFs對(duì)應(yīng)的CSDs聚類得到的結(jié)果

對(duì)IMF1～I(xiàn)MF2、IMF3～I(xiàn)MF4、IMF6～I(xiàn)MF7、IMF8～I(xiàn)MF9、IMF10～I(xiàn)MF12進(jìn)行重構(gòu),結(jié)果如圖12所示。其中圖12(a)為局部彎曲響應(yīng),只在波浪到達(dá)時(shí)變化較大,包含結(jié)構(gòu)局部損傷信息,是研究需要的損傷特征子信號(hào);圖12(b)表示全局彎曲響應(yīng),與局部彎曲響應(yīng)有一定的相似性,其在沖擊隨后的較短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì),可用于識(shí)別波浪沖擊;圖12(c)表示剛體動(dòng)態(tài)響應(yīng),圖12(d)表示準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng),兩者都沒有明顯沖擊造成的特征;圖12(e)表示基線漂移項(xiàng)。

(a) 局部彎曲響應(yīng)

2.3 波浪激勵(lì)下高樁碼頭樁基損傷識(shí)別

在引言部分說明了頻率是目前常用的一種損傷識(shí)別方法。采用隨機(jī)子空間法對(duì)健康和5%損傷情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到前三個(gè)頻率如表2所示。

表2 損傷前后頻率對(duì)比

由表2可知,一階頻率和波浪頻率一致,與結(jié)構(gòu)損傷無關(guān)。損傷前后的二階和三階頻率變化不明顯。這說明傳統(tǒng)的頻率法無法基于波浪激勵(lì)下動(dòng)力響應(yīng)實(shí)現(xiàn)樁基損傷識(shí)別。

圖13 在不同損傷程度下不同節(jié)點(diǎn)處的DI(E)

圖14 在不同損傷程度下不同節(jié)點(diǎn)處的DI(P)

鑒于此,根據(jù)式(15)構(gòu)造復(fù)合能量損傷因子DI(E,P)用于提升損傷識(shí)別效果,計(jì)算結(jié)果如圖15所示?？梢钥闯鋈龡l曲線存在顯著的大小關(guān)系,即30%>10%>5%,且整體先上升后下降的趨勢(shì),其中10%損傷、30%損傷的曲線均在5號(hào)節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大,5%損傷的曲線在節(jié)點(diǎn)6處達(dá)到最大,表明通過該指標(biāo)成功識(shí)別出樁基損傷存在、損傷位置和損傷程度。

圖15 在不同損傷程度下不同節(jié)點(diǎn)處的DI(E,P)

總結(jié)來說,根據(jù)DI(E)能夠在波浪激勵(lì)下準(zhǔn)確識(shí)別樁基損傷存在與損傷位置,但對(duì)損傷程度的識(shí)別不敏感,而DI(P)能反映樁基損傷存在與損傷程度,但對(duì)損傷位置的識(shí)別不敏感;復(fù)合能量因子DI(E,P)保持了DI(E)和DI(P)的優(yōu)點(diǎn),能準(zhǔn)確識(shí)別出損傷存在、損傷位置和損傷程度。不同特征、指標(biāo)的損傷識(shí)別效果匯總?cè)绫?所示。

表3 不同指標(biāo)的損傷識(shí)別效果

3 結(jié) 論

波浪是高樁碼頭樁基持續(xù)、重要外部激勵(lì)來源,探索波浪激勵(lì)下樁基損傷識(shí)別對(duì)于構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)體系具有重要意義。本文提出了一套有效識(shí)別波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)在損傷前后特征變化的新方法。該方法針對(duì)波浪激勵(lì)下樁基響應(yīng)非線性、非平穩(wěn)、多信號(hào)混雜等特性,結(jié)合CEEMDAN與K-means++構(gòu)建自動(dòng)信號(hào)分解與重構(gòu)方法,從中提取損傷特征子信號(hào)。進(jìn)一步針對(duì)單一特征在損傷識(shí)別效果方面的局限性,基于能量與相位提出一種新型復(fù)合能量損傷因子,以此提高對(duì)樁基損傷識(shí)別的性能。根據(jù)波浪激勵(lì)下高樁碼頭樁基模型損傷試驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1) 通過CEEMDAN能夠克服波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)多類型信號(hào)混疊的問題,將其分解為若干分量,并減弱模態(tài)混疊現(xiàn)象;基于CSD、K-means++能夠?qū)崿F(xiàn)IMFs的自動(dòng)分類與準(zhǔn)確重構(gòu),提取代表不同信息的響應(yīng)。新方法綜合考慮信號(hào)的頻譜離散性和集中性,能有效對(duì)復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)和特征提取,廣泛適用于多種實(shí)際工程的動(dòng)力信號(hào)分析。

(2) 基于損傷特征子信號(hào)構(gòu)造的指標(biāo)中,能量損傷指標(biāo)DI(E)能識(shí)別出損傷位置,但對(duì)損傷程度的識(shí)別敏感程度不足;相位損傷指標(biāo)DI(P)能反映樁基損傷存在和損傷程度,但對(duì)損傷位置的敏感程度不足。

(3) 傳統(tǒng)的頻率法無法基于波浪激勵(lì)下動(dòng)力響應(yīng)實(shí)現(xiàn)樁基損傷識(shí)別,而復(fù)合能量因子DI(E,P)兼顧了DI(E)和DI(P)的優(yōu)點(diǎn),能準(zhǔn)確識(shí)別出樁基損傷存在、損傷程度和損傷位置。

本文根據(jù)波浪激勵(lì)下樁基動(dòng)力響應(yīng)信號(hào)提出一套由信號(hào)重構(gòu)到損傷識(shí)別的新方法,為其他近海結(jié)構(gòu)樁基(海上風(fēng)電、跨海大橋等)動(dòng)力響應(yīng)分析及特征提取提供新的手段和思路。