1 绪论 1
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 7
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
3.1 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 随机冲击激励力谱 35
3.4.3 DFC-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
4.1 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 模态参数识别的概念 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
5.3 EMA（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
5.4 EMA时域识别方法 111
5.4.1 ITD方法 111
5.4.2 STD方法 114
5.4.3 复指数法 115
5.4.4 ARMA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MMCD 158
7.1.2 柔度差平均曲率FDMC 159
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
8.1.2 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FO WPT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
10.1.2 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
11.1 NExT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
13.1 IAR软件开发环境 293
13.2 ZigBee协议栈实现 293
13.2.1 Z-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
13.4.2 MR-900E（3G路由器）设置 305
13.4.3 上位机设置 305
13.4.4 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