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第0章 绪论1

0.1结构健康监测的研究与应用概况1

0.1.1传感技术3

0.1.2数据科学与工程12

0.2结构损伤识别与模型修正23

0.2.1模态参数识别23

0.2.2结构损伤识别28

0.2.3结构模型修正40

0.3结构健康监测数据分析建模与安全评定44

0.3.1监测数据分析44

0.3.2监测数据建模与安全评定49

0.4结构灾害监测数据分析与评估57

0.4.1结构风效应监测数据分析57

0.4.2结构地震非线性模型识别与评估61

0.5结构健康监测的Benchmark模型66

0.6结构健康监测系统的应用69

0.6.1桥梁结构69

0.6.2国家游泳中心79

0.6.3某高层建筑81

0.6.4结构健康监测管理软件系统平台82

第1章 数字信号的基础知识86

1.1傅里叶变换86

1.2离散信号的傅里叶变换与快速傅里叶变换87

1.2.1离散傅里叶变换87

1.2.2快速傅里叶变换88

1.2.3栅栏效应88

1.2.4频率分辨率89

1.2.5能量泄漏与加窗90

1.3采样定理93

1.4拉普拉斯变换96

1.4.1拉普拉斯变换的定义96

1.4.2拉普拉斯变换的函数微分性质98

1.5信号滤波与去噪98

1.5.1滤波99

1.5.2小波去噪102

第2章 数据压缩采样104

2.1数据压缩采样的数学原理104

2.1.1压缩感知问题描述104

2.1.2稀疏性105

2.1.3测量矩阵106

2.1.4优化求解算法106

2.2应用实例108

2.2.1桥梁监测加速度压缩采样108

2.2.2大跨空间结构监测加速度压缩采样117

第3章 无线传输数据丢失恢复算法121

3.1无线传输数据丢失概述121

3.2无线传输数据丢失恢复算法126

3.2.1无测量噪声的数据丢失恢复算法126

3.2.2有测量噪声的数据丢失恢复算法127

3.3应用实例128

3.3.1桥梁监测数据丢失恢复128

3.3.2大跨空间结构监测数据丢失恢复140

第4章 结构模态分析理论基础144

4.1单自由度结构的频响函数和脉冲响应函数144

4.1.1线性黏滞阻尼动力系统144

4.1.2线性结构阻尼动力系统148

4.1.3频响函数曲线性质150

4.1.4不同荷载作用下结构频响函数和脉冲响应函数155

4.2多自由度结构频响函数159

4.3多自由度结构实模态频响函数和脉冲响应函数163

4.3.1多自由度结构模态参数163

4.3.2多自由度结构实模态频响函数与单位脉冲响应函数166

4.3.3算例分析168

4.4多自由度结构复模态频响函数174

4.4.1线性黏滞阻尼动力系统174

4.4.2线性结构阻尼动力系统179

4.4.3复模态性质180

4.4.4复模态频响函数及脉冲响应函数181

4.4.5算例分析184

第5章 环境激励下结构模态参数识别方法188

5.1频域分解法188

5.2NExT法与ERA法192

5.2.1NExT法192

5.2.2ERA法195

5.3随机子空间方法202

5.4时变环境结构模态参数分析208

5.4.1主成分分析方法208

5.4.2神经网络建模方法212

5.5应用实例214

5.5.1结构健康监测系统概况214

5.5.2结构模态参数识别结果215

5.5.3环境因素与模态参数关系模型222

第6章 结构损伤识别方法233

6.1基于模态参数的结构损伤识别方法233

6.1.1基于频率的结构损伤识别方法233

6.1.2基于振型的结构损伤识别方法235

6.2结构损伤识别信息融合方法238

6.2.1D-S证据理论238

6.2.2Bayesian推理241

6.2.3D-S证据理论与Bayesian推理的比较242

6.2.4基于信息融合的结构损伤识别方法246

6.3算例分析249

6.3.1桥梁有限元模型249

6.3.2结构损伤识别结果250

第7章 结构模型修正255

7.1模态参数灵敏度方法255

7.1.1结构模态参数灵敏度255

7.1.2结构参数估计方法257

7.2Bayesian概率方法261

7.3应用实例264

7.3.1斜拉桥子结构特征264

7.3.2待修正结构参数268

7.3.3修正结构参数270

第8章 车辆荷载极值模型与疲劳荷载谱273

8.1车辆荷载监测数据特征273

8.2随机过程概率模型与极值概率模型277

8.2.1滤过Poisson过程与极值概率模型277

8.2.2滤过Weibull过程与极值概率模型279

8.2.3平稳二项随机过程与极值概率模型279

8.2.4更新过程与极值概率模型281

8.3基于监测数据的车辆荷载极值建模与概率模型284

8.3.1截口分布概率模型284

8.3.2到达时间概率模型287

8.3.3极值概率模型数值计算方法288

8.3.4应用实例291

8.4基于监测数据的车辆疲劳荷载谱建模与模型298

8.4.1中国车辆分类298

8.4.2车辆疲劳荷载谱300

8.4.3车流量预测Logistic方法302

8.4.4应用实例303

第9章 车辆荷载时空分布识别与建模307

9.1车辆荷载时空分布识别方法307

9.1.1二值图像形态学方法308

9.1.2车辆图像识别310

9.1.3车辆定位318

9.2车辆荷载随机场建模320

9.2.1马尔科夫随机场理论基础321

9.2.2联合树算法323

9.2.3车辆荷载随机场模型326

9.3应用实例328

9.3.1车辆荷载识别328

9.3.2车辆荷载建模330

第10章 基于监测数据的主梁安全评定方法334

10.1应变监测数据特征334

10.1.1钢筋混凝土桥梁334

10.1.2钢桥337

10.2应变监测数据的解耦340

10.2.1趋势项应变解耦方法340

10.2.2混凝土收缩与徐变应变解耦方法343

10.3基于监测应变的结构承载力极限状态安全评定348

10.3.1关键构件荷载效应概率模型349

10.3.2关键构件抗力衰减模型358

10.3.3结构承载力极限状态可靠度评估方法359

10.3.4应用实例361

10.4基于监测应变的钢箱梁疲劳累积损伤评估方法365

10.4.1钢材疲劳累积损伤基础理论365

10.4.2钢箱梁构造细节疲劳寿命曲线368

10.4.3钢箱梁疲劳荷载效应谱计算方法370

10.4.4应用实例371

第11章 基于监测数据的拉索安全评定方法373

11.1拉索时变索力识别方法374

11.1.1索力监测数据特征374

11.1.2时不变索力识别方法379

11.1.3时变索力识别方法381

11.1.4算例分析386

11.2承载力极限状态评估方法396

11.2.1拉索时变抗力模型396

11.2.2荷载效应极值模型402

11.2.3时变承载力极限状态安全评定404

11.2.4应用实例406

11.3基于S-N曲线的拉索疲劳累积损伤评估与寿命预测方法416

11.3.1高强钢丝疲劳寿命预测模型416

11.3.2拉索疲劳寿命预测模型418

11.3.3拉索疲劳荷载效应谱计算方法419

11.3.4应用实例420

11.4拉索疲劳累积损伤与寿命预测的断裂力学方法432

11.4.1高强钢丝断裂力学基本理论432

11.4.2高强钢丝腐蚀疲劳退化模型434

11.4.3拉索疲劳寿命评估方法437

第12章 大跨度桥梁风和风效应监测数据分析439

12.1风与风效应监测系统设计方法439

12.2风场监测数据分析方法442

12.2.1平均风速442

12.2.2风速剖面443

12.2.3脉动风湍流强度与湍流积分尺度444

12.2.4脉动风速功率谱446

12.2.5阵风因子448

12.2.6脉动风的空间相关性449

12.2.7风场展向不均匀性449

12.3风压场与绕流场监测数据分析方法449

12.3.1风压场449

12.3.2绕流场451

12.4主梁涡激振动监测数据分析方法455

12.4.1涡激振动判别条件456

12.4.2涡激振动特征456

12.5主梁抖振响应监测数据分析方法458

12.6斜拉索涡激振动监测数据分析方法459

12.6.1平均风速的空间变换关系459

12.6.2斜拉索涡激振动起振风况分析459

12.6.3斜拉索涡激振动参与模态的估计方法461

12.7应用实例1462

12.7.1某大跨度悬索桥风与风效应监测系统462

12.7.2风场监测数据与分析466

12.7.3风压场与绕流场监测数据与分析472

12.7.4主梁涡激振动监测数据与分析477

12.7.5主梁抖振监测数据分析480

12.8应用实例2484

12.8.1某大跨度斜拉桥及斜拉索涡激振动监测系统概况484

12.8.2斜拉索涡激振动监测数据分析485

第13章 结构地震反应监测数据分析与损伤识别489

13.1地震地面运动和结构地震反应监测数据分析489

13.1.1地震地面运动工程特性分析490

13.1.2结构地震损伤快速分析方法501

13.2基于数据驱动的结构非线性损伤定位方法508

13.2.1识别方法508

13.2.2算例分析511

13.3结构非线性模型参数识别方法520

13.3.1识别方法520

13.3.2算例分析522

13.4基于完备集的结构非线性模型及其参数识别方法530

13.4.1识别方法530

13.4.2算例分析533

13.5基于非完备集的结构非线性模型及其参数识别方法535

13.5.1识别方法535

13.5.2算例分析539

第14章 结构健康监测的Benchmark模型543

14.1健康监测系统概况543

14.1.1工程概况543

14.1.2结构健康监测系统544

14.2结构修正有限元模型547

14.2.1初始有限元模型548

14.2.2修正有限元模型551

14.3拉索状态评估Benchmark问题551

14.3.1拉索索力监测数据551

14.3.2退役高强钢丝和斜拉索疲劳特性552

14.3.3拉索状态评估Benchmark问题554

14.4主梁损伤识别Benchmark问题554

14.4.1监测数据555

14.4.2检测数据558

14.4.3损伤识别Benchmark问题558

参考文献560