Hilbert-Huang變換：解鎖結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新視角一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今社會(huì)，隨著工業(yè)化與城市化的迅猛發(fā)展，大量建筑物、橋梁、航空器等重要基礎(chǔ)設(shè)施不斷涌現(xiàn)并投入使用。這些基礎(chǔ)設(shè)施作為現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵支撐，其安全性與可靠性直接關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。然而，在長期使用過程中，它們不可避免地會(huì)受到自然力（如地震、風(fēng)荷載、溫度變化等）、負(fù)載以及環(huán)境等多種復(fù)雜因素的影響，進(jìn)而可能發(fā)生結(jié)構(gòu)變形、損傷和老化等問題。例如，一些超高層建筑在強(qiáng)風(fēng)作用下可能會(huì)產(chǎn)生較大的晃動(dòng)，若結(jié)構(gòu)健康狀況不佳，就存在安全隱患；許多橋梁由于長期承受車輛荷載以及自然環(huán)境侵蝕，出現(xiàn)了裂縫、鋼筋銹蝕等病害，嚴(yán)重影響其使用壽命和承載能力。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法主要依賴于傳感器數(shù)據(jù)分析，通過在結(jié)構(gòu)上布置各類傳感器，如應(yīng)變片、位移傳感器、加速度傳感器等，獲取結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單分析來評估結(jié)構(gòu)的健康狀況。然而，這種方法存在諸多局限性。一方面，建筑物等結(jié)構(gòu)通常具有非線性特性，其力學(xué)行為復(fù)雜，難以用簡單的線性模型來準(zhǔn)確描述。例如，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)往往是非線性的，傳統(tǒng)方法難以精確捕捉其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性。另一方面，直接觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量容易受到噪聲干擾、傳感器精度限制以及數(shù)據(jù)傳輸誤差等因素的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果不夠精確，難以準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的細(xì)微損傷和潛在故障。例如，傳感器在長期使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移、靈敏度下降等問題，使得采集到的數(shù)據(jù)存在偏差，從而影響對結(jié)構(gòu)健康狀況的評估。隨著信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，基于信號分析的方法逐漸成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，Hilbert-Huang變換（HHT）作為一種全新的時(shí)頻分析方法，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。它能夠有效地將非線性和非穩(wěn)態(tài)信號分解成若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）和一個(gè)殘余函數(shù)。這些IMF分量包含了信號在不同時(shí)間尺度上的特征信息，通過對它們進(jìn)行進(jìn)一步的Hilbert變換和能量分析，可以更深入、準(zhǔn)確地揭示信號的時(shí)頻特性，從而獲得更精確的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果。例如，在橋梁振動(dòng)信號分析中，HHT可以將復(fù)雜的振動(dòng)信號分解為多個(gè)IMF分量，每個(gè)分量對應(yīng)不同的振動(dòng)模態(tài)，通過分析這些模態(tài)的變化，能夠準(zhǔn)確判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的位置和程度。將Hilbert-Huang變換應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測具有重要的理論與實(shí)際意義。從理論層面來看，它豐富和拓展了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的信號分析方法體系，為解決非線性、非穩(wěn)態(tài)信號處理難題提供了新的思路和手段，有助于推動(dòng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理論的深入發(fā)展。從實(shí)際應(yīng)用角度而言，它能夠提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的早期損傷和潛在故障，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、修復(fù)和加固提供科學(xué)依據(jù)，從而有效保障基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行，降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需求的不斷增長以及信號處理技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，Hilbert-Huang變換在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了一系列有價(jià)值的成果。國外方面，早在1998年，N.E.Huang等人首次提出了Hilbert-Huang變換這一時(shí)頻分析方法，為處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號提供了全新的途徑，也為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，眾多學(xué)者圍繞HHT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用展開了深入研究。例如，有學(xué)者將HHT應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的振動(dòng)信號分析，通過對采集到的振動(dòng)信號進(jìn)行HHT分解，成功提取出葉片不同工作狀態(tài)下的特征信息，實(shí)現(xiàn)了對葉片健康狀況的有效監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了潛在的裂紋和疲勞損傷等問題，為發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)和故障預(yù)防提供了重要依據(jù)。在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面，國外研究人員利用HHT分析橋梁在車輛荷載和環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，通過對比不同時(shí)期的Hilbert譜，準(zhǔn)確識別出橋梁結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度，如某大型懸索橋在長期監(jiān)測中，通過HHT分析發(fā)現(xiàn)了主纜索股的局部損傷，并及時(shí)進(jìn)行了修復(fù)，保障了橋梁的安全運(yùn)營。此外，在高層建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，國外學(xué)者運(yùn)用HHT對結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)信號進(jìn)行處理，結(jié)合模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率、阻尼比等參數(shù)的精確識別，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性變化，從而有效評估結(jié)構(gòu)在地震、強(qiáng)風(fēng)等極端荷載作用下的健康狀況。國內(nèi)對于Hilbert-Huang變換在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。近年來，國內(nèi)眾多科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作，并取得了顯著的成果。在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，一些學(xué)者針對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，利用HHT分析其在地震作用下的應(yīng)變信號，通過對固有模態(tài)函數(shù)（IMF）的能量分布和瞬時(shí)頻率變化進(jìn)行研究，提出了基于HHT的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，能夠有效地檢測出結(jié)構(gòu)的早期損傷，如在某地震模擬實(shí)驗(yàn)中，通過該方法準(zhǔn)確判斷出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁、柱節(jié)點(diǎn)處的損傷情況。在橋梁工程方面，國內(nèi)學(xué)者將HHT與其他技術(shù)相結(jié)合，提出了多種橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法。例如，將HHT與小波變換相結(jié)合，先利用小波變換對橋梁振動(dòng)信號進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲干擾，再運(yùn)用HHT進(jìn)行時(shí)頻分析，提高了對橋梁結(jié)構(gòu)微小損傷的檢測精度。還有學(xué)者基于HHT提出了橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的新方法，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，準(zhǔn)確獲取了橋梁的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)，為橋梁結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估提供了關(guān)鍵依據(jù)。在水利工程領(lǐng)域，國內(nèi)研究人員將HHT應(yīng)用于大壩結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，通過分析大壩在水位變化、溫度作用下的變形信號，利用HHT提取信號特征，實(shí)現(xiàn)了對大壩結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的有效監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了大壩壩體的裂縫和滲漏等隱患?？傮w而言，國內(nèi)外在Hilbert-Huang變換應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面已取得了豐碩的成果，研究范圍涵蓋了建筑、橋梁、航空航天、水利等多個(gè)領(lǐng)域。然而，目前該領(lǐng)域仍存在一些問題有待進(jìn)一步研究和解決。例如，HHT中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）算法存在模態(tài)混疊現(xiàn)象，可能導(dǎo)致分解結(jié)果不準(zhǔn)確，影響結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的精度；在實(shí)際應(yīng)用中，如何選擇合適的HHT參數(shù)以及如何將HHT與其他監(jiān)測技術(shù)更好地融合，以提高監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性，也是需要深入探討的問題。此外，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和極端工況下的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，現(xiàn)有的基于HHT的方法還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步開展研究，以拓展其應(yīng)用范圍和提高監(jiān)測效果。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究圍繞利用Hilbert-Huang變換進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測展開，具體內(nèi)容如下：Hilbert-Huang變換理論研究：深入剖析Hilbert-Huang變換的基本原理，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）算法將復(fù)雜信號分解為固有模態(tài)函數(shù)（IMF）的過程，以及對IMF進(jìn)行Hilbert變換獲取時(shí)頻信息的原理。研究經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸庵锌赡艹霈F(xiàn)的端點(diǎn)效應(yīng)、模態(tài)混疊等問題及其處理方法。通過理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)分析，明確HHT在處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號方面的優(yōu)勢和適用范圍，為后續(xù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，詳細(xì)研究EMD算法中如何通過篩選過程將信號分解為不同時(shí)間尺度的IMF分量，以及這些IMF分量如何反映信號的局部特征。結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號采集與預(yù)處理：在各類典型結(jié)構(gòu)（如建筑框架結(jié)構(gòu)、橋梁梁式結(jié)構(gòu)等）上合理布置加速度傳感器、應(yīng)變傳感器等，采集不同工況下（如正常運(yùn)行、承受特定荷載、模擬損傷等）的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號。針對采集到的信號，采用濾波、去噪等預(yù)處理方法，去除信號中的噪聲干擾、基線漂移等問題，提高信號質(zhì)量，確保后續(xù)HHT分析的準(zhǔn)確性。例如，運(yùn)用小波濾波技術(shù)去除高頻噪聲，采用均值濾波去除低頻漂移，使信號更能準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)?；贖ilbert-Huang變換的信號特征提?。哼\(yùn)用HHT對預(yù)處理后的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號進(jìn)行分解，得到多個(gè)IMF分量。分析每個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)幅值和能量分布等特征，從中提取能夠有效表征結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)。研究不同特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)損傷程度、損傷位置之間的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供量化依據(jù)。例如，通過對比正常結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的IMF分量瞬時(shí)頻率變化，確定損傷對結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響規(guī)律。構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型：根據(jù)提取的特征參數(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等），構(gòu)建結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型。利用大量的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，使模型能夠準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、損傷程度和損傷位置。通過實(shí)際案例驗(yàn)證模型的有效性和可靠性，評估模型在不同工況下的性能表現(xiàn)。例如，利用支持向量機(jī)建立結(jié)構(gòu)損傷程度與特征參數(shù)之間的映射關(guān)系，通過交叉驗(yàn)證優(yōu)化模型參數(shù)，提高模型的預(yù)測精度。案例分析與應(yīng)用驗(yàn)證：選取實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等工程案例，運(yùn)用上述建立的HHT分析方法和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。對比分析監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況，評估HHT在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的可行性和應(yīng)用效果。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出改進(jìn)措施和建議，進(jìn)一步完善基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法和技術(shù)體系。例如，對某座服役多年的橋梁進(jìn)行長期監(jiān)測，通過HHT分析和監(jiān)測模型判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否存在損傷，并與實(shí)際檢測結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究擬采用以下方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于Hilbert-Huang變換、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、研究報(bào)告和工程案例，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題。通過對文獻(xiàn)的綜合分析，總結(jié)前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，為本研究提供理論支持和研究思路，避免重復(fù)研究，確保研究的前沿性和創(chuàng)新性。例如，梳理國內(nèi)外關(guān)于HHT在不同結(jié)構(gòu)類型健康監(jiān)測中的應(yīng)用文獻(xiàn)，分析其研究方法、應(yīng)用效果和不足之處，為本文的研究提供參考。實(shí)驗(yàn)研究法：搭建結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模擬不同的結(jié)構(gòu)工況和損傷情況，如在實(shí)驗(yàn)室搭建小型建筑框架模型，通過施加不同的荷載模擬正常使用和超載工況，采用人工制造裂縫等方式模擬結(jié)構(gòu)損傷。利用傳感器采集模型在各種工況下的振動(dòng)信號，為后續(xù)的信號處理和分析提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)研究，可以直觀地觀察結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的響應(yīng)，驗(yàn)證理論分析的正確性，同時(shí)也為模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支持。理論分析法：對Hilbert-Huang變換的理論基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究，從數(shù)學(xué)原理、算法流程等方面進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識，推導(dǎo)結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號與結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)之間的關(guān)系，為基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法提供理論依據(jù)。例如，運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論分析結(jié)構(gòu)損傷對其振動(dòng)模態(tài)的影響，從理論上闡述如何通過HHT分析振動(dòng)信號來識別結(jié)構(gòu)損傷。數(shù)值模擬法：利用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和振動(dòng)響應(yīng)，模擬結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，利用數(shù)值模擬可以進(jìn)行大量的參數(shù)研究，探索不同因素對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。例如，在ANSYS中建立橋梁的有限元模型，模擬不同程度的橋墩損傷對橋梁整體振動(dòng)特性的影響，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)分析法：運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等對采集到的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號數(shù)據(jù)和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析處理。通過數(shù)據(jù)分析，提取信號特征，建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估和預(yù)測。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和趨勢，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理提供決策依據(jù)。例如，運(yùn)用主成分分析方法對多組振動(dòng)信號特征進(jìn)行降維處理，提取主要特征，再利用支持向量機(jī)算法建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的分類和預(yù)測。1.4創(chuàng)新點(diǎn)與預(yù)期成果本研究在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有顯著的創(chuàng)新點(diǎn)，在分析精度、適用信號類型和預(yù)測能力方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢，預(yù)期將取得一系列具有重要理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的成果。創(chuàng)新點(diǎn)：本研究利用Hilbert-Huang變換獨(dú)特的自適應(yīng)性時(shí)頻分析特性，對結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號進(jìn)行精細(xì)化分解和分析，能夠更準(zhǔn)確地提取信號中的細(xì)微特征和變化信息，相比傳統(tǒng)方法，大大提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的精度和可靠性。例如，在處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微弱損傷信號時(shí)，傳統(tǒng)方法可能難以準(zhǔn)確識別，而HHT能夠清晰地展現(xiàn)信號的時(shí)頻特性，精確捕捉損傷特征，從而提高對結(jié)構(gòu)健康狀況判斷的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，建筑物、橋梁等結(jié)構(gòu)在服役過程中，其振動(dòng)信號往往呈現(xiàn)出非線性和非穩(wěn)態(tài)的特征，傳統(tǒng)的時(shí)頻分析方法在處理這類信號時(shí)存在局限性。而本研究應(yīng)用的Hilbert-Huang變換，能夠自適應(yīng)地將復(fù)雜信號分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），每個(gè)IMF分量都包含了信號在特定時(shí)間尺度和頻率范圍內(nèi)的信息，對于非線性和非穩(wěn)態(tài)信號的分析具有天然的適用性，能夠有效克服傳統(tǒng)方法的不足，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供更有效的數(shù)據(jù)處理手段。本研究將Hilbert-Huang變換與機(jī)器學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，構(gòu)建的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型不僅能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的當(dāng)前健康狀態(tài)，還可以根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和特征參數(shù)的變化趨勢，對結(jié)構(gòu)在未來使用過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效預(yù)測。通過建立結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的預(yù)測模型，提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和管理提供科學(xué)的決策依據(jù)，有效提高了結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。例如，通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和分析，模型可以預(yù)測結(jié)構(gòu)在未來一段時(shí)間內(nèi)的損傷發(fā)展趨勢，提前制定維護(hù)計(jì)劃，避免結(jié)構(gòu)因損傷積累而導(dǎo)致的嚴(yán)重安全事故。預(yù)期成果：針對建筑物、橋梁等不同類型的結(jié)構(gòu)，建立一套完整且具有針對性的Hilbert-Huang變換模型。該模型將充分考慮不同結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和振動(dòng)特性，能夠準(zhǔn)確地對各類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號進(jìn)行處理和分析，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供有效的工具。通過在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)上布置傳感器，收集不同工況下的振動(dòng)信號數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)豐富的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集將涵蓋多種結(jié)構(gòu)類型、不同損傷程度和工況條件下的信號數(shù)據(jù)，為后續(xù)的信號處理、特征提取和模型訓(xùn)練提供充足的數(shù)據(jù)支持，有助于提高監(jiān)測模型的泛化能力和準(zhǔn)確性。運(yùn)用建立的Hilbert-Huang變換模型，對收集到的不同結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號進(jìn)行深入分解和分析。提取出能夠有效表征結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，并建立這些特征參數(shù)與結(jié)構(gòu)損傷程度、損傷位置之間的定量關(guān)系，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供科學(xué)的量化指標(biāo)?；贖ilbert-Huang變換分析得到的特征參數(shù)和定量關(guān)系，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測模型。通過大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練和優(yōu)化，使模型能夠準(zhǔn)確地識別結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、損傷程度和損傷位置，并對模型進(jìn)行嚴(yán)格的驗(yàn)證和評估。將該模型應(yīng)用于實(shí)際工程案例，驗(yàn)證其在實(shí)際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的有效性和可靠性，為工程實(shí)踐提供技術(shù)支持。二、Hilbert-Huang變換理論基礎(chǔ)2.1Hilbert-Huang變換原理2.1.1經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）是Hilbert-Huang變換的核心組成部分，其主要目的是將一個(gè)復(fù)雜的非線性、非穩(wěn)態(tài)信號分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）和一個(gè)殘余函數(shù)。IMF是具有特定物理意義的信號分量，每個(gè)IMF都滿足以下兩個(gè)條件：一是在整個(gè)數(shù)據(jù)段內(nèi)，局部極值點(diǎn)（極大值和極小值）的數(shù)量與過零點(diǎn)的數(shù)量相等或最多相差一個(gè)；二是在任意時(shí)刻，由局部極大值確定的上包絡(luò)線和由局部極小值確定的下包絡(luò)線的均值為零，即信號關(guān)于時(shí)間軸對稱。EMD的分解過程本質(zhì)上是一個(gè)基于信號局部特征時(shí)間尺度的自適應(yīng)篩選過程。具體步驟如下：對于給定的原始信號x(t)，首先確定信號x(t)所有的局部極值點(diǎn)，然后利用三次樣條插值法分別構(gòu)造信號的上包絡(luò)線（由極大值點(diǎn)構(gòu)成）和下包絡(luò)線（由極小值點(diǎn)構(gòu)成）。計(jì)算上下包絡(luò)線的平均值m_1(t)，得到m_1(t)=\frac{u(t)+v(t)}{2}，其中u(t)為上包絡(luò)線，v(t)為下包絡(luò)線。接著計(jì)算原始信號x(t)與均值m_1(t)的差值d_1(t)，即d_1(t)=x(t)-m_1(t)。判斷d_1(t)是否滿足IMF的兩個(gè)條件，如果滿足，則d_1(t)就是第一個(gè)IMF分量c_1(t)；如果不滿足，則將d_1(t)作為新的信號，重復(fù)上述步驟，直到得到滿足IMF條件的分量。將原始信號x(t)減去第一個(gè)IMF分量c_1(t)，得到殘余信號r_1(t)=x(t)-c_1(t)。把r_1(t)當(dāng)作新的原始信號，再次重復(fù)上述篩選過程，依次得到第二個(gè)IMF分量c_2(t)、第三個(gè)IMF分量c_3(t)……直到殘余信號r_n(t)成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)或滿足設(shè)定的停止條件為止，此時(shí)殘余信號r_n(t)不再包含有意義的波動(dòng)成分，EMD分解結(jié)束。最終，原始信號x(t)可以表示為各個(gè)IMF分量與殘余信號之和，即x(t)=\sum_{i=1}^{n}c_i(t)+r_n(t)。通過EMD分解得到的IMF分量，從高頻到低頻依次排列，每個(gè)IMF分量都代表了信號在不同時(shí)間尺度上的特征信息。例如，在分析橋梁振動(dòng)信號時(shí)，高頻的IMF分量可能反映了橋梁結(jié)構(gòu)的局部微小振動(dòng)，如橋面的局部變形或附屬設(shè)施的振動(dòng)；而低頻的IMF分量則可能與橋梁整體的振動(dòng)模態(tài)相關(guān)，如橋梁的彎曲振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。這種基于信號自身特征的分解方式，使得EMD能夠有效地處理非線性、非穩(wěn)態(tài)信號，為后續(xù)的Hilbert變換和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分析提供了基礎(chǔ)。2.1.2希爾伯特變換（HT）在通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）將原始信號分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）后，需要對每個(gè)IMF進(jìn)行希爾伯特變換（HT），以獲取信號的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值信息，進(jìn)而得到信號的時(shí)頻分布。對于一個(gè)實(shí)值函數(shù)c(t)，其希爾伯特變換定義為：H[c(t)]=\frac{1}{\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\frac{c(\tau)}{t-\tau}d\tau，其中H[c(t)]表示c(t)的希爾伯特變換結(jié)果，\tau是積分變量。通過希爾伯特變換，可以構(gòu)造一個(gè)解析信號z(t)，z(t)=c(t)+jH[c(t)]，其中j=\sqrt{-1}。解析信號z(t)可以表示為幅值-相位形式z(t)=a(t)e^{j\varphi(t)}，其中瞬時(shí)幅值a(t)=\sqrt{c^{2}(t)+H^{2}[c(t)]}，瞬時(shí)相位\varphi(t)=\arctan(\frac{H[c(t)]}{c(t)})。瞬時(shí)頻率f(t)則定義為瞬時(shí)相位對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，即f(t)=\frac{1}{2\pi}\frac{d\varphi(t)}{dt}。對每個(gè)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換后，就可以得到每個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系。將所有IMF分量的時(shí)頻信息組合起來，就可以得到原始信號的時(shí)頻分布，即希爾伯特譜H(\omega,t)。希爾伯特譜能夠直觀地展示信號在不同時(shí)間和頻率上的能量分布情況，為分析信號的特征提供了豐富的信息。例如，在分析建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)信號時(shí)，通過希爾伯特譜可以清晰地看到不同頻率成分在地震過程中的能量變化，從而判斷結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)特性以及可能出現(xiàn)的損傷部位。此外，還可以通過對希爾伯特譜進(jìn)行進(jìn)一步分析，如計(jì)算信號的能量矩、頻率中心等參數(shù)，來提取更具代表性的信號特征，用于結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估和損傷識別。2.2Hilbert-Huang變換特點(diǎn)與優(yōu)勢2.2.1分析非線性非平穩(wěn)信號傳統(tǒng)的信號分析方法，如傅里葉變換，建立在信號是線性和平穩(wěn)的假設(shè)基礎(chǔ)之上，其基本原理是將信號分解為不同頻率的正弦和余弦函數(shù)的疊加，通過分析這些固定頻率成分的幅值和相位來獲取信號的頻率特性。然而，在實(shí)際的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號往往呈現(xiàn)出非線性和非穩(wěn)態(tài)的特征。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震、沖擊等復(fù)雜荷載作用時(shí)，其力學(xué)響應(yīng)表現(xiàn)出明顯的非線性，材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、結(jié)構(gòu)的幾何非線性等因素都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號的非線性特性。而且，隨著結(jié)構(gòu)的使用和環(huán)境條件的變化，振動(dòng)信號的統(tǒng)計(jì)特性也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，呈現(xiàn)出非穩(wěn)態(tài)的特征。相比之下，Hilbert-Huang變換具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其核心部分經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）能夠根據(jù)信號自身的局部特征時(shí)間尺度，將復(fù)雜的非線性、非穩(wěn)態(tài)信號自適應(yīng)地分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。每個(gè)IMF分量都代表了信號在特定時(shí)間尺度上的特征，包含了不同頻率和幅值的振動(dòng)信息，且這些IMF分量是基于信號自身的特性產(chǎn)生的，不需要預(yù)先設(shè)定基函數(shù)，因此能夠更準(zhǔn)確地反映信號的本質(zhì)特征。例如，在分析橋梁結(jié)構(gòu)在車輛行駛過程中的振動(dòng)信號時(shí)，HHT可以有效地將信號分解為與橋梁不同振動(dòng)模態(tài)相對應(yīng)的IMF分量，通過對這些IMF分量的分析，能夠清晰地揭示橋梁結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間和頻率下的振動(dòng)特性，從而準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。這種對非線性和非穩(wěn)態(tài)信號的有效處理能力，使得HHT在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2.2.2完全自適應(yīng)性HHT的完全自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在其能夠自適應(yīng)產(chǎn)生“基”，即通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）的“篩選”過程產(chǎn)生固有模態(tài)函數(shù)（IMF）。這一特性與傳統(tǒng)的傅里葉變換和小波變換有著本質(zhì)的區(qū)別。傅里葉變換以三角函數(shù)作為基函數(shù)，將信號分解為不同頻率的正弦和余弦函數(shù)的線性組合，其基函數(shù)是固定不變的，不依賴于信號本身的特性。小波變換則需要預(yù)先選擇滿足“可容性條件”的小波基，不同的小波基具有不同的時(shí)頻特性，選擇合適的小波基對于小波變換的結(jié)果至關(guān)重要。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇合適的小波基往往是一個(gè)難題，因?yàn)椴煌男盘柨赡苄枰煌男〔ɑ鶃磉M(jìn)行最佳表示，而且缺乏明確的理論指導(dǎo)來確定哪種小波基最適合特定的信號。而HHT的EMD過程是完全基于信號自身的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分解的，不需要任何先驗(yàn)信息或預(yù)設(shè)的基函數(shù)。它通過不斷地篩選和迭代，從原始信號中提取出具有不同時(shí)間尺度和頻率特性的IMF分量，這些IMF分量能夠自適應(yīng)地匹配信號的局部特征，從而更準(zhǔn)確地描述信號的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律。例如，在分析建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號時(shí)，無論信號的復(fù)雜性如何，HHT都能根據(jù)信號的實(shí)際情況，自動(dòng)生成與之相適應(yīng)的IMF分量，有效地提取出信號中的各種頻率成分和特征信息。這種完全自適應(yīng)性使得HHT在處理各種復(fù)雜信號時(shí)具有更強(qiáng)的靈活性和魯棒性，能夠更好地適應(yīng)不同的工程應(yīng)用場景，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了更可靠的信號分析手段。2.2.3不受測不準(zhǔn)原理制約傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換和小波變換都受到Heisenberg測不準(zhǔn)原理的制約，即時(shí)間窗口與頻率窗口的乘積為一個(gè)常數(shù)。這意味著在這些變換中，如果想要提高時(shí)間精度，就必須犧牲頻率精度；反之，若要提高頻率精度，時(shí)間精度就會(huì)降低。例如，在使用短時(shí)傅立葉變換時(shí)，選擇較窄的時(shí)間窗口可以獲得較高的時(shí)間分辨率，能夠準(zhǔn)確地捕捉信號在短時(shí)間內(nèi)的變化，但此時(shí)頻率分辨率會(huì)降低，對信號頻率成分的分析不夠精確；而選擇較寬的時(shí)間窗口則會(huì)提高頻率分辨率，但時(shí)間分辨率會(huì)變差，無法準(zhǔn)確反映信號在時(shí)間上的快速變化。這種局限性給信號分析處理帶來了一定的不便，特別是對于那些在時(shí)間和頻率上都需要高精度分析的信號，傳統(tǒng)變換方法難以滿足要求。而Hilbert-Huang變換不受Heisenberg測不準(zhǔn)原理的制約，它可以在時(shí)間和頻率上同時(shí)達(dá)到很高的精度。HHT通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解將信號分解為多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），每個(gè)IMF都具有明確的物理意義和時(shí)頻局部特性，能夠準(zhǔn)確地反映信號在局部時(shí)間和頻率范圍內(nèi)的特征。在對IMF進(jìn)行希爾伯特變換時(shí)，能夠精確地計(jì)算出信號的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，從而實(shí)現(xiàn)對信號時(shí)頻特性的高分辨率分析。例如，在分析結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的響應(yīng)信號時(shí)，HHT能夠清晰地捕捉到信號在沖擊瞬間的頻率突變和幅值變化，準(zhǔn)確地確定沖擊發(fā)生的時(shí)間和頻率成分，為結(jié)構(gòu)的損傷評估提供重要依據(jù)。這種在時(shí)間和頻率精度上的優(yōu)勢，使得HHT非常適用于分析突變信號，能夠有效地檢測出結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中信號的異常變化，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性和可靠性。2.2.4瞬時(shí)頻率求解方式傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換和小波變換在計(jì)算頻率時(shí)，具有預(yù)先選擇基函數(shù)的共性，其計(jì)算方式是通過與基函數(shù)的卷積產(chǎn)生的。傅立葉變換將信號分解為不同頻率的正弦和余弦函數(shù)的疊加，得到的頻率是全局性的，反映的是信號在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的平均頻率特性。例如，對于一個(gè)包含多種頻率成分的復(fù)雜信號，傅立葉變換得到的頻譜是所有頻率成分的綜合體現(xiàn)，無法提供信號在局部時(shí)間內(nèi)的頻率變化信息。小波變換則通過選擇不同尺度的小波基函數(shù)對信號進(jìn)行卷積運(yùn)算，得到的頻率是區(qū)域性的，雖然在一定程度上能夠反映信號在不同時(shí)間尺度上的頻率特性，但仍然不能精確地給出信號在每個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率。Hilbert-Huang變換借助Hilbert變換求得相位函數(shù)，再對相位函數(shù)求導(dǎo)產(chǎn)生瞬時(shí)頻率。對于每個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF），通過Hilbert變換構(gòu)造解析信號，從解析信號中獲取相位函數(shù)，然后對相位函數(shù)求導(dǎo)得到瞬時(shí)頻率。這種方法求出的瞬時(shí)頻率是局部性的，能夠準(zhǔn)確地反映信號在每個(gè)時(shí)刻的頻率變化情況。例如，在分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號時(shí)，HHT可以精確地確定振動(dòng)信號在不同時(shí)刻的頻率，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的頻率異常變化，這對于判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)和早期故障診斷具有重要意義。HHT這種獨(dú)特的瞬時(shí)頻率求解方式，為信號的時(shí)頻分析提供了更精確的手段，能夠更深入地揭示信號的內(nèi)在特性，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2.3Hilbert-Huang變換存在的問題與改進(jìn)措施2.3.1端點(diǎn)效應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）過程中，端點(diǎn)效應(yīng)是一個(gè)較為突出的問題。其產(chǎn)生的主要原因與EMD算法中包絡(luò)線的構(gòu)造密切相關(guān)。在計(jì)算上下包絡(luò)線時(shí)，通常采用三次樣條插值法。由于信號的有限長度，在信號的兩端點(diǎn)處，無法準(zhǔn)確確定其是否為極值點(diǎn)，這就導(dǎo)致在進(jìn)行三次樣條插值時(shí)，端點(diǎn)處的信息缺失。從而使得信號的上下包絡(luò)在信號兩端附近嚴(yán)重扭曲，形成所謂的“飛翼”現(xiàn)象。例如，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)極值點(diǎn)與第二個(gè)極值點(diǎn)的縱坐標(biāo)之差為正值時(shí)，飛翼向上；為負(fù)值時(shí)，飛翼向下；為零時(shí)，飛翼變?yōu)樗骄€段。而且飛翼向上、向下變化的速率，與第一、第二極值點(diǎn)縱、橫坐標(biāo)之差的比值的絕對值大小有關(guān)。在信號的高頻分量中，由于時(shí)間尺度小，極值間的距離小，端部的邊緣效應(yīng)僅局限在信號兩端很小的部分。但對于低頻分量，由于其時(shí)間尺度大，極值間的距離大，端部的邊緣效應(yīng)就會(huì)傳播到信號的內(nèi)部。特別是當(dāng)原始信號數(shù)據(jù)集比較短時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響EMD分解的質(zhì)量，使得分解出來的固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量失去實(shí)際的物理意義。對于多分量復(fù)雜信號，在進(jìn)行多次EMD分解時(shí)，邊緣效應(yīng)會(huì)被放大，嚴(yán)重淹沒信號的端部特征。端點(diǎn)效應(yīng)會(huì)對EMD分解結(jié)果產(chǎn)生諸多負(fù)面影響。它會(huì)導(dǎo)致分解得到的IMF分量在端點(diǎn)附近出現(xiàn)嚴(yán)重的失真，使得IMF分量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值等特征參數(shù)在端點(diǎn)處的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。這將直接影響后續(xù)對信號特征的提取和分析，降低基于HHT的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，在分析橋梁振動(dòng)信號時(shí)，如果由于端點(diǎn)效應(yīng)導(dǎo)致IMF分量失真，那么通過這些失真的IMF分量提取的橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征參數(shù)就無法真實(shí)反映橋梁的實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)，從而可能誤判橋梁的健康狀況。為了減輕端點(diǎn)效應(yīng)的影響，研究人員提出了多種改進(jìn)措施。鏡像法是一種常用的方法，其基本思想是在信號兩端各放置一個(gè)平面鏡，使信號在鏡子中的鏡像關(guān)于鏡子對稱并以相反的方向出現(xiàn)在鏡子中。這樣可以構(gòu)造出一個(gè)長度為兩倍序列長度的周期信號，把原數(shù)據(jù)序列對稱地延拓成一個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)。在延拓過程中，應(yīng)根據(jù)曲線的分布特征，把鏡面放置在具有對稱性的極值所在的位置。然后對環(huán)形數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)化處理，輸出各IMF分量。經(jīng)鏡像延拓后的信號不含端點(diǎn)，在EMD的后續(xù)移動(dòng)過程中，不會(huì)遇到端點(diǎn)的延拓問題。對于具有對稱性的長數(shù)據(jù)序列來說，鏡像法能較理想地抑制端點(diǎn)效應(yīng)。但對于短數(shù)據(jù)序列，由于鏡像延拓要求將鏡面放在極值點(diǎn)處，當(dāng)無法確定端點(diǎn)是否為極值點(diǎn)時(shí)，需截去一部分?jǐn)?shù)據(jù)，以便把鏡面放在極值點(diǎn)處。這可能會(huì)使擬合的上下包絡(luò)產(chǎn)生較大的失真，并且若完全忽略端點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)端點(diǎn)值比近端點(diǎn)的極大值大或比極小值小時(shí)，會(huì)造成端點(diǎn)處的信號落在包絡(luò)線之外，嚴(yán)重影響信號分解的精度。除鏡像法外，還有直接延拓法、波形匹配法、特征波法等。直接延拓法運(yùn)算速度較快，但沒有考慮邊界的非完全波；波形匹配法考慮到了邊界的非完全波，效果相對較好，但遇到低頻疊加波或調(diào)幅信號，幅度相差較大的脈沖信號等將會(huì)難以匹配。2.3.2模態(tài)混疊模態(tài)混疊是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）中另一個(gè)關(guān)鍵問題。所謂模態(tài)混疊，是指同一個(gè)IMF分量中出現(xiàn)了不同尺度或頻率的信號，或者同一尺度或頻率的信號被分解到多個(gè)不同的IMF分量當(dāng)中。研究表明，引起模態(tài)混疊的因素主要包括間歇信號、脈沖干擾和噪聲信號等。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊荷載等間歇信號作用時(shí)，其振動(dòng)信號在EMD分解過程中容易出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象。這是因?yàn)闆_擊信號的突然性和短暫性，使得信號的極值點(diǎn)分布變得復(fù)雜，EMD算法難以準(zhǔn)確地將不同尺度和頻率的成分分離到不同的IMF分量中。此外，噪聲信號的存在也會(huì)干擾EMD對信號固有模態(tài)的識別，導(dǎo)致模態(tài)混疊。模態(tài)混疊會(huì)嚴(yán)重影響EMD分解結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。由于不同尺度和頻率的信號混合在同一個(gè)IMF分量中，或者同一尺度和頻率的信號被分散到多個(gè)IMF分量中，使得每個(gè)IMF分量不再具有明確的物理意義，無法準(zhǔn)確反映信號的真實(shí)特征。這將導(dǎo)致基于IMF分量進(jìn)行的信號分析和特征提取出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的判斷。例如，在利用HHT分析建筑結(jié)構(gòu)的損傷時(shí)，如果出現(xiàn)模態(tài)混疊，可能會(huì)將正常的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號與損傷引起的特征信號錯(cuò)誤地混合在一起，從而無法準(zhǔn)確識別出結(jié)構(gòu)的損傷位置和程度。針對模態(tài)混疊問題，眾多學(xué)者提出了多種改進(jìn)方法?？傮w平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）是一種應(yīng)用較為廣泛的方法。EEMD通過向原始信號中多次加入不同的白噪聲，然后對添加噪聲后的信號進(jìn)行EMD分解。由于白噪聲具有頻譜均勻分布、零均值的特點(diǎn)，加入白噪聲可以改變信號極值點(diǎn)的分布，使得信號的局部特征更加明顯，從而有助于EMD算法更準(zhǔn)確地分離不同尺度和頻率的成分。最后將多次分解的結(jié)果進(jìn)行總體平均運(yùn)算，消除多次加入的高斯白噪聲對真實(shí)IMF的影響，得到分解結(jié)果。雖然EEMD在一定程度上能夠抑制模態(tài)混疊現(xiàn)象，但它也存在一些缺點(diǎn)。計(jì)算量較大，因?yàn)樾枰獙μ砑硬煌自肼暤男盘栠M(jìn)行多次EMD分解；而且如果添加白噪聲幅值和迭代次數(shù)不合適，分解會(huì)出現(xiàn)較多偽分量，需要對IMF分量進(jìn)行重新組合或者后續(xù)處理。此外，由于原EEMD方法中限制迭代次數(shù)，使得分解得到的分量未必滿足IMF定義的兩個(gè)條件。除EEMD外，還有補(bǔ)充的總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）、改進(jìn)的總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（MEEMD）等方法。CEEMD通過向待分析信號中添加兩個(gè)相反的白噪聲信號，并分別進(jìn)行EMD分解，在保證分解效果與EEMD相當(dāng)?shù)那闆r下，減小了由白噪聲引起的重構(gòu)誤差。但CEEMD同樣存在計(jì)算量大的問題，且運(yùn)算翻倍。MEEMD算法首先采用CEEMD方法對待分析信號依據(jù)瞬時(shí)頻率高低逐層分解，然后檢測分解出的分量的排列熵值。通過設(shè)置排列熵閾值來檢測信號的隨機(jī)性，當(dāng)分解出的分量為平穩(wěn)信號時(shí)，序列較為規(guī)則，熵值較?。欢确纸獬龅母哳l信號和噪聲隨機(jī)性較大，熵值較大。檢測出通過集成和平均得到的前幾個(gè)較隨機(jī)的異常分量之后，將其從原始信號中分離，再對得到的剩余信號進(jìn)行EMD分解，并對得到的所有分量信號按高頻到低頻排列。MEEMD方法不但能夠在一定程度上抑制分解中的模態(tài)混淆，而且克服了EEMD和CEEMD的不足，具有一定的優(yōu)越性。三、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述3.1結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的與意義結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測旨在利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、信號處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析方法，對各類結(jié)構(gòu)（如建筑、橋梁、機(jī)械等）在服役過程中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的監(jiān)測與評估。其核心目的在于保障結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的損傷和潛在故障，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)、管理和決策提供科學(xué)依據(jù)。從保障結(jié)構(gòu)安全的角度來看，許多大型結(jié)構(gòu)如高層建筑、橋梁等，一旦發(fā)生安全事故，往往會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，2007年美國明尼阿波利斯市一座橫跨密西西比河的I-35W大橋突然坍塌，事故造成13人死亡，145人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億美元。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)獲取結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)等響應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常變形、裂縫擴(kuò)展、材料性能退化等問題。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定的安全閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出預(yù)警信號，提醒相關(guān)人員采取相應(yīng)的措施，如進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固、限制使用荷載等，從而有效避免結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生。在延長結(jié)構(gòu)使用壽命方面，結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，會(huì)受到環(huán)境侵蝕、疲勞荷載等多種因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能逐漸劣化。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，能夠持續(xù)跟蹤結(jié)構(gòu)性能的變化情況，了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際服役狀態(tài)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以制定科學(xué)合理的維護(hù)計(jì)劃，及時(shí)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的維修和保養(yǎng)。例如，對于橋梁結(jié)構(gòu)，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)橋梁支座出現(xiàn)磨損或老化時(shí)，可以及時(shí)更換支座，避免因支座問題導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受力不均，從而延長橋梁的使用壽命。與傳統(tǒng)的定期檢測維護(hù)方式相比，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測能夠更加精準(zhǔn)地掌握結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，避免過度維護(hù)或維護(hù)不足的情況發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)的耐久性。降低維護(hù)成本也是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要意義之一。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)維護(hù)往往采用定期檢查和預(yù)防性維護(hù)的方式，這種方式可能會(huì)導(dǎo)致不必要的維護(hù)工作，增加維護(hù)成本。而結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際健康狀況，有針對性地安排維護(hù)工作。只有在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異?；蛐枰S護(hù)時(shí)才進(jìn)行相應(yīng)的操作，避免了盲目維護(hù)帶來的資源浪費(fèi)。例如，對于一座大型建筑物，通過健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域的結(jié)構(gòu)性能良好，不需要進(jìn)行額外的維護(hù)，而某些關(guān)鍵部位出現(xiàn)了輕微損傷，需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。這樣可以合理分配維護(hù)資源，降低維護(hù)成本。此外，通過及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理結(jié)構(gòu)的早期損傷，可以避免損傷進(jìn)一步發(fā)展，從而減少后期大規(guī)模維修和更換結(jié)構(gòu)部件的費(fèi)用。3.2結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)組成與流程3.2.1傳感器布置在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器布置是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和有效性。傳感器類型的選擇需依據(jù)監(jiān)測目標(biāo)、結(jié)構(gòu)特性以及所需獲取的物理量來確定。例如，對于建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)監(jiān)測，加速度傳感器是常用的選擇，它能夠準(zhǔn)確測量結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中的加速度變化，為分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。常見的加速度傳感器有壓電式加速度傳感器和壓阻式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器具有靈敏度高、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于測量高頻振動(dòng)；壓阻式加速度傳感器則具有體積小、成本低等特點(diǎn)，在一些對精度要求不是特別高的場合應(yīng)用廣泛。應(yīng)變傳感器常用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，如振弦式應(yīng)變計(jì)基于弦振動(dòng)原理，通過測量弦振動(dòng)的幅度來測量應(yīng)變的大小，具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道、大型建筑物等工程領(lǐng)域，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在的安全隱患并采取相應(yīng)措施。位移傳感器可用于測量結(jié)構(gòu)的位移變化，對于監(jiān)測橋梁的撓度、建筑物的沉降等具有重要意義。在一些大型橋梁監(jiān)測項(xiàng)目中，通常會(huì)在主梁的關(guān)鍵位置（如L/4、L/2、3L/4位置處）布置位移傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測主梁的下?lián)锨闆r，評估橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況。傳感器在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的布置應(yīng)遵循一定的原則。首先，要充分考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和受力情況，將傳感器布置在應(yīng)力、應(yīng)變集中或容易發(fā)生損傷的部位。在橋梁結(jié)構(gòu)中，橋墩與主梁的連接處、橋梁的伸縮縫等部位是受力復(fù)雜且容易出現(xiàn)問題的區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)布置傳感器。在某大型斜拉橋的健康監(jiān)測中，在橋墩頂部和主梁的錨固點(diǎn)處布置了應(yīng)變傳感器和位移傳感器，以監(jiān)測這些關(guān)鍵部位在車輛荷載、風(fēng)荷載等作用下的應(yīng)力和位移變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)損傷。其次，要確保傳感器能夠全面反映結(jié)構(gòu)的整體狀態(tài)，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。對于大型建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)在不同樓層、不同方向的關(guān)鍵構(gòu)件上合理布置傳感器，以獲取結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向和部位的響應(yīng)信息。同時(shí)，還需考慮傳感器的安裝環(huán)境和可維護(hù)性，選擇便于安裝、調(diào)試和維護(hù)的位置。在一些復(fù)雜的工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)中，傳感器的布置要考慮到現(xiàn)場的高溫、高濕度等惡劣環(huán)境條件，選擇具有良好防護(hù)性能的傳感器，并確保其安裝位置便于后期的檢查和維護(hù)。3.2.2數(shù)據(jù)采集與傳輸數(shù)據(jù)采集是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性和可靠性直接影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)果。數(shù)據(jù)采集設(shè)備種類繁多，應(yīng)根據(jù)傳感器類型和監(jiān)測需求進(jìn)行合理選擇。對于模擬量傳感器（如電阻應(yīng)變片、熱電偶等），通常需要配備相應(yīng)的信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集卡。信號調(diào)理模塊的作用是對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大、濾波、隔離等處理，以滿足數(shù)據(jù)采集卡的輸入要求。數(shù)據(jù)采集卡則負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲和處理。例如，在橋梁應(yīng)力監(jiān)測中，使用高精度的數(shù)據(jù)采集卡對振弦式應(yīng)變計(jì)輸出的信號進(jìn)行采集，能夠準(zhǔn)確獲取橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛。無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有安裝方便、布線簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠大大降低監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)成本和維護(hù)難度。常見的無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線傳輸模塊等。無線傳感器節(jié)點(diǎn)集成了傳感器、微處理器、無線通信模塊等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和無線傳輸。在一些大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中，采用無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)多個(gè)部位的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了監(jiān)測效率和靈活性。數(shù)據(jù)傳輸方式主要包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸方式具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常見的有線傳輸介質(zhì)有電纜、光纖等。在一些對數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求較高的場合，如核電站、大型水利工程等，通常采用光纖傳輸數(shù)據(jù)。光纖具有帶寬寬、傳輸速度快、信號衰減小等特點(diǎn)，能夠滿足大量數(shù)據(jù)的高速傳輸需求。例如，在某核電站的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中，使用光纖將分布在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。無線傳輸方式則具有安裝便捷、靈活性高、可移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常見的無線傳輸技術(shù)有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、4G/5G等。Wi-Fi適用于短距離、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍?，如在建筑物?nèi)部的局部監(jiān)測區(qū)域，可以通過Wi-Fi將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁浇臒o線路由器，再接入互聯(lián)網(wǎng)。藍(lán)牙技術(shù)主要用于近距離設(shè)備之間的通信，如一些小型傳感器設(shè)備可以通過藍(lán)牙與手機(jī)或平板電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee技術(shù)具有低功耗、自組網(wǎng)、低成本等特點(diǎn)，適合于大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建。在一些智能建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。4G/5G技術(shù)則為遠(yuǎn)程、高速數(shù)據(jù)傳輸提供了可能，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。在一些跨區(qū)域的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，方便管理人員隨時(shí)隨地對橋梁的健康狀況進(jìn)行監(jiān)測和分析。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要注意數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和實(shí)時(shí)性。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)采取有效的抗干擾措施，如對傳輸線路進(jìn)行屏蔽、接地處理，采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)等。在無線傳輸中，還需考慮信號的衰減和干擾問題，合理選擇無線傳輸設(shè)備的發(fā)射功率和頻率，優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的布局，以確保信號的穩(wěn)定傳輸。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，應(yīng)建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和重傳機(jī)制。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，對每個(gè)數(shù)據(jù)包添加校驗(yàn)碼，接收端根據(jù)校驗(yàn)碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失，及時(shí)請求發(fā)送端重傳。實(shí)時(shí)性是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵要求之一，對于一些緊急情況（如結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)損傷），需要及時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，以便采取相應(yīng)的措施。因此，在選擇數(shù)據(jù)傳輸方式和設(shè)備時(shí)，要充分考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和帶寬等因素，確保數(shù)據(jù)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸。3.2.3數(shù)據(jù)分析與處理數(shù)據(jù)分析與處理是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其目的是從采集到的數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。在對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，需要進(jìn)行預(yù)處理，以去除噪聲干擾、基線漂移等問題，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。濾波是常用的預(yù)處理方法之一，通過設(shè)置合適的濾波器，可以去除信號中的高頻噪聲和低頻干擾。對于振動(dòng)信號，通常采用低通濾波器去除高頻噪聲，使信號更加平滑，突出結(jié)構(gòu)的主要振動(dòng)特征。在某橋梁振動(dòng)監(jiān)測中，利用巴特沃斯低通濾波器對加速度傳感器采集的信號進(jìn)行處理，有效去除了因環(huán)境噪聲和傳感器自身噪聲引起的高頻干擾，使振動(dòng)信號的特征更加明顯。去噪方法還包括小波去噪、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解去噪等。小波去噪利用小波變換的時(shí)頻局部化特性，將信號分解為不同頻率的小波系數(shù)，通過對小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，去除噪聲對應(yīng)的小波系數(shù)，再進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪后的信號。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解去噪則是先將信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，得到多個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量，然后根據(jù)噪聲在IMF分量中的分布特點(diǎn)，去除含有噪聲的IMF分量，最后將剩余的IMF分量重構(gòu)得到去噪后的信號?；€漂移也是數(shù)據(jù)中常見的問題，特別是在應(yīng)變傳感器測量中，由于溫度變化、傳感器老化等因素，會(huì)導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)基線漂移?？梢圆捎枚囗?xiàng)式擬合、滑動(dòng)平均等方法對基線漂移進(jìn)行校正。多項(xiàng)式擬合方法通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到基線的數(shù)學(xué)模型，然后將原始數(shù)據(jù)減去基線模型，實(shí)現(xiàn)基線校正?；瑒?dòng)平均方法則是通過對一定時(shí)間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得到基線值，再對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。在某建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測中，采用三次多項(xiàng)式擬合方法對因溫度變化引起的基線漂移進(jìn)行校正，使應(yīng)變數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。特征提取是數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵步驟，通過提取能夠有效表征結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征參數(shù)，為后續(xù)的健康評估提供依據(jù)。對于振動(dòng)信號，可以提取的特征參數(shù)包括頻率、幅值、相位、能量、模態(tài)參數(shù)等。頻率是振動(dòng)信號的重要特征之一，結(jié)構(gòu)在不同健康狀態(tài)下，其固有頻率會(huì)發(fā)生變化。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，其剛度會(huì)降低，導(dǎo)致固有頻率下降。通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)的固有頻率變化，可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的程度。幅值反映了振動(dòng)的強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，通過監(jiān)測振動(dòng)幅值的變化，可以了解結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的響應(yīng)情況。能量參數(shù)能夠綜合反映信號在不同頻率段的能量分布情況，對于分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和損傷程度具有重要意義。模態(tài)參數(shù)如固有頻率、振型、阻尼比等，是描述結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的重要參數(shù)，通過模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)，可以獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。在某大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中，利用基于希爾伯特-黃變換的模態(tài)參數(shù)識別方法，準(zhǔn)確提取了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，通過對比不同時(shí)期的模態(tài)參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的早期損傷。在結(jié)構(gòu)健康評估中，常用的方法有基于模型的方法、基于信號處理的方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法?；谀Ｐ偷姆椒ㄍㄟ^建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比，評估結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。有限元模型是常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，通過在有限元軟件中建立結(jié)構(gòu)的模型，輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，判斷結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變是否超過允許范圍，從而評估結(jié)構(gòu)的健康狀況?；谛盘柼幚淼姆椒▌t是直接對監(jiān)測信號進(jìn)行分析，提取特征參數(shù)，根據(jù)特征參數(shù)的變化情況判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。如前文所述的基于希爾伯特-黃變換的信號分析方法，通過對振動(dòng)信號進(jìn)行分解和時(shí)頻分析，提取特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評估。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法近年來得到了廣泛應(yīng)用，通過構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，利用大量的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，使模型學(xué)習(xí)到結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)與特征參數(shù)之間的關(guān)系。支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等是常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。在某橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，利用支持向量機(jī)建立了結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)分類模型，通過提取振動(dòng)信號的特征參數(shù)作為輸入，模型能夠準(zhǔn)確判斷橋梁結(jié)構(gòu)處于健康、輕微損傷、嚴(yán)重?fù)p傷等不同狀態(tài)，為橋梁的維護(hù)管理提供了科學(xué)依據(jù)。3.3結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測常用方法3.3.1基于振動(dòng)的監(jiān)測方法基于振動(dòng)的監(jiān)測方法是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中一種重要且應(yīng)用廣泛的技術(shù)手段。其基本原理是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，結(jié)構(gòu)在正常狀態(tài)下具有特定的動(dòng)力學(xué)特性，包括固有頻率、振型和阻尼比等。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí)，其剛度、質(zhì)量分布等物理參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性發(fā)生變化。例如，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、橋墩基礎(chǔ)松動(dòng)等損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的整體剛度會(huì)下降，相應(yīng)地，其固有頻率也會(huì)降低。通過測量結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)或人為激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)，如加速度、速度和位移等，并對這些響應(yīng)信號進(jìn)行分析，提取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，就可以判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的程度和位置。在實(shí)際應(yīng)用中，基于振動(dòng)的監(jiān)測方法具有諸多優(yōu)勢。它可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的監(jiān)測，無需直接接觸結(jié)構(gòu)內(nèi)部，減少了對結(jié)構(gòu)的破壞和干擾。而且，振動(dòng)信號包含了豐富的結(jié)構(gòu)信息，通過先進(jìn)的信號處理技術(shù)，可以從振動(dòng)信號中提取出高精度的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性。例如，在某大型建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中，利用高精度的加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，通過基于傅里葉變換的頻域分析方法，準(zhǔn)確地提取出結(jié)構(gòu)的固有頻率。通過長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸降低，經(jīng)過進(jìn)一步分析，判斷出結(jié)構(gòu)可能存在局部損傷，及時(shí)進(jìn)行檢測后，證實(shí)了結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在混凝土開裂和鋼筋銹蝕的問題。然而，該方法也存在一些局限性。環(huán)境因素如溫度、濕度的變化，以及交通荷載等隨機(jī)因素，會(huì)對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生影響，增加了信號分析的復(fù)雜性。在復(fù)雜環(huán)境下，如何準(zhǔn)確地提取結(jié)構(gòu)的真實(shí)動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)，是基于振動(dòng)監(jiān)測方法面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，在橋梁監(jiān)測中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致橋梁材料的熱脹冷縮，從而影響橋梁的剛度和質(zhì)量分布，使得振動(dòng)信號中包含了溫度變化引起的干擾成分。為了克服這些局限性，研究人員不斷探索新的信號處理技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法。采用溫度補(bǔ)償技術(shù)，通過建立溫度與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系模型，對溫度變化引起的影響進(jìn)行修正，提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性。結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將多個(gè)傳感器采集到的振動(dòng)信號進(jìn)行融合分析，能夠更全面地反映結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，降低環(huán)境因素和隨機(jī)因素的影響。3.3.2基于應(yīng)變的監(jiān)測方法基于應(yīng)變的監(jiān)測方法是通過測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來獲取結(jié)構(gòu)受力和變形信息，進(jìn)而評估結(jié)構(gòu)健康狀況的一種重要手段。其原理基于材料力學(xué)中的胡克定律，在彈性范圍內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到荷載作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，通過測量結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)變，可以推斷結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形情況。例如，在建筑結(jié)構(gòu)中，梁、柱等構(gòu)件在承受豎向荷載和水平荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變。通過在這些構(gòu)件表面粘貼應(yīng)變片或安裝其他類型的應(yīng)變傳感器，如振弦式應(yīng)變計(jì)、光纖光柵應(yīng)變傳感器等，就可以實(shí)時(shí)測量構(gòu)件的應(yīng)變值。應(yīng)變監(jiān)測在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有重要意義。它能夠直接反映結(jié)構(gòu)的受力情況，對于評估結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性至關(guān)重要。通過監(jiān)測應(yīng)變的變化，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)異常受力，如局部應(yīng)力集中、超載等情況。在橋梁結(jié)構(gòu)中，通過監(jiān)測橋梁主梁關(guān)鍵截面的應(yīng)變，可以判斷橋梁在車輛荷載作用下的應(yīng)力分布是否合理，是否存在超過設(shè)計(jì)應(yīng)力的情況。此外，應(yīng)變監(jiān)測還可以用于評估結(jié)構(gòu)的變形程度，如通過監(jiān)測橋墩的應(yīng)變，了解橋墩在水平荷載作用下的傾斜和變形情況。在實(shí)際應(yīng)用中，基于應(yīng)變的監(jiān)測方法也面臨一些挑戰(zhàn)。應(yīng)變傳感器的精度和穩(wěn)定性對監(jiān)測結(jié)果有很大影響，傳感器的零點(diǎn)漂移、溫度漂移等問題可能導(dǎo)致測量誤差。在長期監(jiān)測過程中，由于環(huán)境因素和結(jié)構(gòu)自身的變化，傳感器的性能可能會(huì)發(fā)生改變，需要定期進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)。例如，在某大型橋梁的長期監(jiān)測中，由于溫度變化較大，振弦式應(yīng)變計(jì)出現(xiàn)了溫度漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致測量的應(yīng)變值出現(xiàn)偏差。為了解決這個(gè)問題，采用了溫度補(bǔ)償技術(shù)，通過在應(yīng)變計(jì)附近安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度與應(yīng)變的關(guān)系對測量結(jié)果進(jìn)行修正，提高了測量的準(zhǔn)確性。此外，應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和處理也需要一定的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，如何從大量的應(yīng)變數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息，是該方法應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問題。通常需要結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和數(shù)據(jù)分析方法，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，才能做出準(zhǔn)確的判斷。3.3.3基于聲發(fā)射的監(jiān)測方法基于聲發(fā)射的監(jiān)測方法是利用材料內(nèi)部缺陷產(chǎn)生聲發(fā)射信號進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一種技術(shù)。當(dāng)材料內(nèi)部發(fā)生損傷，如裂紋擴(kuò)展、塑性變形、相變等時(shí)，會(huì)以彈性波的形式釋放能量，這些彈性波就是聲發(fā)射信號。聲發(fā)射信號攜帶了材料內(nèi)部損傷的信息，包括損傷的類型、位置和程度等。通過在結(jié)構(gòu)表面布置聲發(fā)射傳感器，可以接收這些聲發(fā)射信號，并對其進(jìn)行分析處理，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)健康狀況的監(jiān)測。聲發(fā)射監(jiān)測的原理基于聲發(fā)射源的定位和信號特征分析。在結(jié)構(gòu)表面布置多個(gè)聲發(fā)射傳感器，當(dāng)聲發(fā)射源產(chǎn)生信號時(shí)，由于傳感器與聲發(fā)射源的距離不同，信號到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間會(huì)有差異。通過測量信號到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性，可以利用三角定位法等算法確定聲發(fā)射源的位置，從而實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷位置的定位。例如，在一個(gè)大型壓力容器的監(jiān)測中，當(dāng)容器內(nèi)部出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展時(shí)，裂紋處會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射信號。布置在容器表面的多個(gè)聲發(fā)射傳感器接收到信號后，通過計(jì)算信號到達(dá)不同傳感器的時(shí)間差，利用三角定位算法，準(zhǔn)確地確定了裂紋的位置。對聲發(fā)射信號的特征進(jìn)行分析，如信號的幅值、頻率、能量等，可以判斷損傷的程度和類型。一般來說，信號幅值越大、能量越高，表明損傷越嚴(yán)重。不同類型的損傷會(huì)產(chǎn)生具有不同特征的聲發(fā)射信號，通過建立聲發(fā)射信號特征與損傷類型之間的關(guān)系模型，可以實(shí)現(xiàn)對損傷類型的識別。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的監(jiān)測中，纖維斷裂和基體開裂所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有不同的頻率特征，通過分析信號的頻率成分，可以區(qū)分這兩種不同類型的損傷?；诼暟l(fā)射的監(jiān)測方法具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能夠檢測到早期損傷等優(yōu)點(diǎn)。它可以在結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的損傷隱患。由于聲發(fā)射信號是在損傷發(fā)生時(shí)立即產(chǎn)生的，因此能夠檢測到結(jié)構(gòu)的早期損傷，為結(jié)構(gòu)的維護(hù)和修復(fù)提供早期預(yù)警。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的監(jiān)測中，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片表面的微小裂紋，避免裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致葉片失效，保障了發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行。然而，該方法也存在一些局限性，如環(huán)境噪聲干擾、信號傳播衰減等問題可能會(huì)影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取有效的抗干擾措施，如選擇合適的傳感器安裝位置、采用濾波技術(shù)等，以提高監(jiān)測的可靠性。四、基于Hilbert-Huang變換的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例分析4.1橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測案例4.1.1工程背景與監(jiān)測方案某公路橋梁位于交通繁忙地段，是連接兩個(gè)重要區(qū)域的交通樞紐。該橋梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，全長300米，共5跨，每跨跨度為60米。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室截面，梁高2.5米；下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。該橋梁建成通車已達(dá)10年，在長期的交通荷載和自然環(huán)境作用下，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)不同程度的損傷，如混凝土開裂、鋼筋銹蝕、支座老化等，因此需要對其進(jìn)行健康監(jiān)測，以確保橋梁的安全運(yùn)營。為實(shí)現(xiàn)對該橋梁的全面健康監(jiān)測，制定了詳細(xì)的監(jiān)測方案。在傳感器布置方面，根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特性，在關(guān)鍵部位布置了多種類型的傳感器。在每跨梁的跨中、四分點(diǎn)以及橋墩頂部等位置布置了加速度傳感器，共計(jì)15個(gè)，用于采集橋梁在車輛行駛、風(fēng)荷載等作用下的振動(dòng)加速度信號，通過分析這些信號，可以獲取橋梁的振動(dòng)特性，如自振頻率、振型等，從而判斷橋梁結(jié)構(gòu)是否存在異常振動(dòng)。在橋梁的主要受力鋼筋上粘貼了應(yīng)變片，共布置30個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測鋼筋在不同工況下的應(yīng)變變化，以評估橋梁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和承載能力。在橋墩與基礎(chǔ)連接處、支座等部位布置了位移傳感器，共10個(gè)，用于測量這些部位的位移情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形和位移異常。數(shù)據(jù)采集方案采用了自動(dòng)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸線路和上位機(jī)組成。數(shù)據(jù)采集器選用高精度、多通道的采集設(shè)備，能夠同時(shí)采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理和存儲。數(shù)據(jù)傳輸線路采用光纖和無線傳輸相結(jié)合的方式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。在現(xiàn)場通過光纖將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，再由數(shù)據(jù)采集器通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心的上位機(jī)。上位機(jī)安裝了專門的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，能夠?qū)崟r(shí)顯示和存儲采集到的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為100Hz，以保證能夠捕捉到橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，對采集系統(tǒng)進(jìn)行了定期校準(zhǔn)和維護(hù)，確保傳感器的精度和穩(wěn)定性。4.1.2數(shù)據(jù)處理與分析在獲取橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號等監(jiān)測數(shù)據(jù)后，運(yùn)用Hilbert-Huang變換（HHT）對其進(jìn)行處理與分析。首先，對采集到的原始振動(dòng)加速度信號進(jìn)行預(yù)處理，采用低通濾波器去除信號中的高頻噪聲，以提高信號質(zhì)量。然后，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）算法對預(yù)處理后的信號進(jìn)行分解，將其分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量和一個(gè)殘余函數(shù)。例如，對某一跨梁跨中位置的加速度信號進(jìn)行EMD分解，得到了8個(gè)IMF分量和1個(gè)殘余函數(shù)。通過分析IMF分量的頻率特性，發(fā)現(xiàn)IMF1-IMF3主要包含了高頻成分，可能與橋梁結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)和附屬設(shè)施的振動(dòng)有關(guān)；IMF4-IMF6包含了中頻成分，與橋梁的主要振動(dòng)模態(tài)相關(guān)；IMF7-IMF8和殘余函數(shù)則主要包含了低頻成分，可能反映了橋梁整體的緩慢變形和趨勢變化。對每個(gè)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換（HT），計(jì)算其瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，進(jìn)而得到信號的希爾伯特譜。通過希爾伯特譜可以直觀地觀察到信號在不同時(shí)間和頻率上的能量分布情況。例如，從希爾伯特譜中可以清晰地看到，在車輛通過橋梁時(shí)，某些頻率成分的能量會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，這反映了橋梁結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的響應(yīng)特性?；贖HT分析結(jié)果，提取橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等參數(shù)。自振頻率是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，其變化可以反映結(jié)構(gòu)剛度的改變，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)是否存在損傷。通過對IMF分量的頻率分析，確定了橋梁在不同工況下的主要自振頻率。例如，在正常運(yùn)營狀態(tài)下，橋梁的一階自振頻率為2.5Hz，隨著橋梁使用年限的增加和可能出現(xiàn)的損傷，在后續(xù)監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)一階自振頻率下降到了2.3Hz，這表明橋梁結(jié)構(gòu)的剛度有所降低，可能存在一定程度的損傷。阻尼比反映了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中能量的耗散情況，通過對IMF分量的衰減特性分析，計(jì)算得到橋梁的阻尼比。在健康狀態(tài)下，橋梁的阻尼比約為0.05，而在監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)某些部位的阻尼比有所增加，這可能是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，導(dǎo)致能量耗散加劇。通過分析HHT處理后的信號，提取損傷特征。例如，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等損傷時(shí)，振動(dòng)信號的能量分布會(huì)發(fā)生變化，通過比較不同時(shí)期的希爾伯特譜和IMF分量的能量特征，可以識別出損傷的發(fā)生和發(fā)展。在某一時(shí)刻的監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)某一跨梁的某個(gè)IMF分量的能量突然增加，且在希爾伯特譜上出現(xiàn)了異常的頻率成分，經(jīng)過進(jìn)一步分析和現(xiàn)場檢查，確認(rèn)該跨梁出現(xiàn)了新的裂縫，驗(yàn)證了基于HHT的損傷特征提取方法的有效性。4.1.3結(jié)果與討論根據(jù)HHT分析結(jié)果，對橋梁的健康狀態(tài)進(jìn)行判斷。通過監(jiān)測自振頻率和阻尼比的變化，以及損傷特征的識別，發(fā)現(xiàn)橋梁在長期使用過程中，結(jié)構(gòu)剛度有所下降，部分部位的阻尼比增加，且出現(xiàn)了一些損傷跡象，如梁體裂縫、鋼筋銹蝕等。這表明橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況逐漸惡化，需要及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)和修復(fù)措施。Hilbert-Huang變換在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)勢。它能夠有效地處理橋梁振動(dòng)信號的非線性和非穩(wěn)態(tài)特性，準(zhǔn)確地提取結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比等參數(shù)以及損傷特征，為橋梁健康狀態(tài)評估提供了豐富、準(zhǔn)確的信息。與傳統(tǒng)的傅里葉變換等方法相比，HHT不需要預(yù)先假設(shè)信號的平穩(wěn)性和線性特性，能夠自適應(yīng)地對信號進(jìn)行分解和分析，更符合橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際的振動(dòng)情況。在處理橋梁在復(fù)雜交通荷載和環(huán)境激勵(lì)下的振動(dòng)信號時(shí)，HHT能夠清晰地揭示信號的時(shí)頻特性，而傅里葉變換則難以準(zhǔn)確地分析這種非平穩(wěn)信號。然而，HHT也存在一些局限性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸膺^程中存在端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊問題，可能會(huì)影響分解結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然可以采用一些方法來減輕這些問題的影響，但仍然難以完全消除。例如，在采用鏡像法處理端點(diǎn)效應(yīng)時(shí)，對于短數(shù)據(jù)序列可能會(huì)導(dǎo)致擬合的上下包絡(luò)產(chǎn)生較大失真。HHT的計(jì)算量較大，對數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件要求較高，這在一定程度上限制了其在實(shí)時(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用。此外，HHT分析結(jié)果的解釋和判斷需要一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)，對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和信號，可能需要結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合分析。在判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度時(shí)，僅依靠HHT分析結(jié)果可能不夠準(zhǔn)確，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和現(xiàn)場檢測等方法進(jìn)行綜合評估。4.2建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測案例4.2.1工程背景與監(jiān)測方案某高層商業(yè)建筑位于城市中心區(qū)域，建筑總高度為150米，共35層，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。該建筑作為城市的標(biāo)志性建筑之一，承載著大量的商業(yè)活動(dòng)和人員流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。由于建筑已投入使用多年，且所在地區(qū)地震活動(dòng)較為頻繁，同時(shí)受到強(qiáng)風(fēng)、溫度變化等自然因素以及建筑內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)等影響，結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)混凝土開裂、鋼筋銹蝕、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)等損傷，因此對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測十分必要。為實(shí)現(xiàn)對該建筑結(jié)構(gòu)的全面健康監(jiān)測，制定了詳細(xì)的監(jiān)測方案。在傳感器布置方面，充分考慮了建筑結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和可能出現(xiàn)損傷的部位。在核心筒和框架柱的關(guān)鍵樓層（如底層、中間層和頂層）布置了加速度傳感器，共計(jì)20個(gè)，用于采集建筑在風(fēng)荷載、地震作用等情況下的振動(dòng)加速度信號。在框架梁與柱的節(jié)點(diǎn)處、核心筒墻體的關(guān)鍵部位粘貼了應(yīng)變片，共布置50個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。在建筑的頂層和底層布置了位移傳感器，共8個(gè)，用于測量建筑在水平方向和豎向的位移變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形異常。數(shù)據(jù)采集采用了分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端和一個(gè)中央數(shù)據(jù)處理單元組成。每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)采集周邊傳感器的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的預(yù)處理和存儲。數(shù)據(jù)采集終端通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理單元，中央數(shù)據(jù)處理單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理、分析和存儲。數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為50Hz，以滿足對建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測的需求。同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行檢測和調(diào)試。4.2.2數(shù)據(jù)處理與分析在獲取建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號等監(jiān)測數(shù)據(jù)后，運(yùn)用Hilbert-Huang變換（HHT）對其進(jìn)行處理與分析。首先，對采集到的原始振動(dòng)加速度信號進(jìn)行預(yù)處理，采用高通濾波器去除信號中的低頻漂移和噪聲干擾，使信號能夠更準(zhǔn)確地反映建筑結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)情況。然后，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）算法對預(yù)處理后的信號進(jìn)行分解，將其分解為若干個(gè)固有模態(tài)函數(shù)（IMF）分量和一個(gè)殘余函數(shù)。例如，對建筑頂層某一加速度傳感器采集的信號進(jìn)行EMD分解，得到了10個(gè)IMF分量和1個(gè)殘余函數(shù)。通過分析IMF分量的頻率特性，發(fā)現(xiàn)IMF1-IMF4主要包含了高頻成分，可能與建筑內(nèi)部設(shè)備的振動(dòng)、局部結(jié)構(gòu)的高頻響應(yīng)有關(guān)；IMF5-IMF7包含了中頻成分，與建筑結(jié)構(gòu)的主要振動(dòng)模態(tài)相關(guān)；IMF8-IMF10和殘余函數(shù)則主要包含了低頻成分，可能反映了建筑整體在風(fēng)荷載、地震作用下的緩慢變形和趨勢變化。對每個(gè)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換（HT），計(jì)算其瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值，進(jìn)而得到信號的希爾伯特譜。通過希爾伯特譜可以直觀地觀察到信號在不同時(shí)間和頻率上的能量分布情況。例如，從希爾伯特譜中可以清晰地看到，在某次強(qiáng)風(fēng)作用下，建筑結(jié)構(gòu)的某些頻率成分的能量顯著增加，這反映了建筑結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)特性。基于HHT分析結(jié)果，提取建筑結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等參數(shù)。自振頻率是反映建筑結(jié)構(gòu)剛度和完整性的重要指標(biāo)，其變化可以反映結(jié)構(gòu)是否存在損傷。通過對IMF分量的頻率分析，確定了建筑在不同工況下的主要自振頻率。例如，在正常狀態(tài)下，建筑的一階自振頻率為1.5Hz，在后續(xù)監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)一階自振頻率下降到了1.3Hz，這表明建筑結(jié)構(gòu)的剛度有所降低，可能存在一定程度的損傷。阻尼比反映了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中能量的耗散情況，通過對IMF分量的衰減特性分析，計(jì)算得到建筑的阻尼比。在健康狀態(tài)下，建筑的阻尼比約為0.03，而在監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)某些部位的阻尼比有所增加，這可能是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，導(dǎo)致能量耗散加劇。通過分析HHT處理后的信號，提取損傷特征。例如，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等損傷時(shí)，振動(dòng)信號的能量分布會(huì)發(fā)生變化，通過比較不同時(shí)期的希爾伯特譜和IMF分量的能量特征，可以識別出損傷的發(fā)生和發(fā)展。在某一階段的監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)某一樓層的某個(gè)IMF分量的能量出現(xiàn)異常變化，且在希爾伯特譜上出現(xiàn)了新的頻率成分，經(jīng)過進(jìn)一步分析和現(xiàn)場檢查，確認(rèn)該樓層的框架梁出現(xiàn)了裂縫，驗(yàn)證了基于HHT的損傷特征提取方法的有效性。4.2.3結(jié)果與討論根據(jù)HHT分析結(jié)果，對建筑的健康狀態(tài)進(jìn)行判斷。通過監(jiān)測自振頻率和阻尼比的變化，以及損傷特征的識別，發(fā)現(xiàn)建筑在長期使用過程中，結(jié)構(gòu)剛度有所下降，部分部位的阻尼比增加，且出現(xiàn)了一些損傷跡象，如框架梁裂縫、核心筒墻體局部混凝土剝落等。這表明建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況逐漸惡化，需要及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)和修復(fù)措施。Hilbert-Huang變換在建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有顯著的優(yōu)勢。它能夠有效地處理建筑振動(dòng)信號的非線性和非穩(wěn)態(tài)特性，準(zhǔn)確地提取結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼比等參數(shù)以及損傷特征，為建筑健康狀態(tài)評估提供了豐富、準(zhǔn)確的信息。與傳統(tǒng)的信號分析方法相比，HHT不需要預(yù)先假設(shè)信號的平穩(wěn)性和線性特性，能夠自適應(yīng)地對信號進(jìn)行分解和分析，更符合建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的振動(dòng)情況。在處理建筑在地震作用下的復(fù)雜振動(dòng)信號時(shí)，HHT能夠清晰地揭示信號的時(shí)頻特性，而傳統(tǒng)的傅里葉變換則難以準(zhǔn)確地分析這種非平穩(wěn)信號。然而，HHT在應(yīng)用過程中也暴露出一些局限性。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸膺^程中存在端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊問題，可能會(huì)影響分解結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際應(yīng)用中，雖然采用了多種方法來減輕這些問題的影響，但仍然難以完全消除。例如，在采用補(bǔ)充的總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）方法處理模態(tài)混疊問題時(shí)，計(jì)算量較大，且可能會(huì)引入一些新的誤差。HHT的計(jì)算復(fù)雜度較高，對數(shù)據(jù)處理的硬件和軟件要求較高，這在一定程度上限制了其在實(shí)時(shí)監(jiān)測中的應(yīng)用。此外，HHT分析結(jié)果的解釋和判斷需要專業(yè)的知識和經(jīng)驗(yàn)，對于復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)和信號，可能需要結(jié)合其他方法進(jìn)行綜合分析。在判斷建筑結(jié)構(gòu)的損傷程度時(shí)，僅依靠HHT分析結(jié)果可能不夠準(zhǔn)確，還需要結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和現(xiàn)場檢測等方法進(jìn)行綜合評估。4.3對比分析4.3.1Hilbert-Huang變換與傳統(tǒng)方法對比將Hilbert-Huang變換（HHT）與傅里葉變換、小波變換在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的效果進(jìn)行對比，能更清晰地展現(xiàn)HHT的優(yōu)勢與特點(diǎn)。在處理線性平穩(wěn)信號時(shí)，傅里葉變換是一種經(jīng)典且有效的方法。它基于三角函數(shù)的正交性，將信號分解為不同頻率的正弦和余弦函數(shù)的疊加，通過傅里葉變換得到的頻譜能夠準(zhǔn)確地反映信號在整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的頻率組成。在分析簡單的周期信號時(shí)，傅里葉變換可以精確地確定信號的基頻和各次諧波的頻率及幅值。然而，當(dāng)面對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常見的非線性、非穩(wěn)態(tài)信號時(shí)，傅里葉變換存在明顯的局限性。由于傅里葉變換假設(shè)信號是平穩(wěn)的，在整個(gè)時(shí)間過程中頻率特性不發(fā)生變化，因此對于非穩(wěn)態(tài)信號，其分析結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)偏差，無法準(zhǔn)確反映信號在不同時(shí)刻的頻率變化情況。在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性和非穩(wěn)態(tài)特性，傅里葉變換難以準(zhǔn)確捕捉到信號中的瞬態(tài)變化和局部特征。小波變換在一定程度上克服了傅里葉變換的局限性，它通過選擇合適的小波基函數(shù)，對信號進(jìn)行多尺度分析。小波變換能夠在時(shí)域和頻域同時(shí)具有較好的局部化特性，對于非穩(wěn)態(tài)信號中的瞬態(tài)成分能夠有較好的檢測能力。在分析具有突變特征的信號時(shí)，小波變換可以通過調(diào)整小波基的尺度，準(zhǔn)確地定位突變發(fā)生的時(shí)間和頻率范圍。然而，小波變換的分析結(jié)果依賴于小波基的選擇，不同的小波基對同一信號的分析效果可能會(huì)有很大差異。而且，小波變換在處理復(fù)雜的非線性信號時(shí)，仍然存在一定的局限性，無法完全自適應(yīng)地根據(jù)信號的局部特征進(jìn)行分