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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MMCD158

7.1.2 柔度差平均曲率FDMC159

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