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1 462
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2 484
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