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基本信息
- 項目名稱：
- 基于貝葉氏概率方法探討環(huán)境因素對樓宇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測之影響
- 小類：
- 機械與控制
- 簡介：
- 本研究以貝葉氏概率方法為框架來處理嵬集所得的實時信息，針對鋼筋混凝土樓宇，探討環(huán)境因素對其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。文中主要聚焦於兩個結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的問題上: 第一，結(jié)構(gòu)物在烈風(fēng)及紊流中的表現(xiàn)。第二，日常環(huán)境條件所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化之建模及量化。
- 詳細介紹：
- 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通過分析系統(tǒng)的可測數(shù)據(jù)，以達到評估結(jié)構(gòu)完整性及診斷其損傷程度的目的。籍此監(jiān)測平臺，決策者得以了解結(jié)構(gòu)物之強度與耐久性能，并實施及時、恰當(dāng)?shù)姆烙ｐB(yǎng)或加固維修。本研究以貝葉氏概率方法為框架來處理嵬集所得的實時信息，針對鋼筋混凝土樓宇，探討環(huán)境因素 (包括風(fēng)速、風(fēng)向及溫濕度) 對其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。其中，貝葉氏概率方法突破慣有的系統(tǒng)識別演算方法，不僅能獲取參數(shù)的估值，更能進一步量化參數(shù)的不確定性，從而反映各估值的優(yōu)劣。文中以一幢樓高 22 層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的大學(xué)學(xué)生宿舍──東亞樓為研究對象，對下列兩個問題逐一進行剖析。第一，結(jié)構(gòu)物在烈風(fēng)及紊流中的表現(xiàn)。特指在熱帶風(fēng)暴下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)、固有頻率及阻尼比的變化。跟據(jù)路徑的不同，襲擊東亞樓的熱帶風(fēng)暴可大致劃分為從樓宇北面和南面掠過兩大類，而所產(chǎn)生的拖曳力及向升力亦有顯注的差別。本文以臺風(fēng)“鸚鵡”及“黑格比”為例，重點對比了這兩類強風(fēng)荷載對東亞樓的影響。第二，日常環(huán)境條件所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化之建模及量化。在日常運作下，樓宇的性質(zhì)不可避免地受外在環(huán)境的變化而改變，而當(dāng)中值得關(guān)注的是: 這些變化甚至可能蒙蔽由結(jié)構(gòu)損傷所引致的訊息。因此，要可靠地評估結(jié)構(gòu)物的健康情況，區(qū)分外界環(huán)境的干擾是不可或缺的一環(huán)。本研究對東亞樓每日的觀測數(shù)據(jù)進行了為期一年的收集及分析，以用作追蹤外界環(huán)境條件對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。透過建模及量化，一方面闡釋了東亞樓的模態(tài)參數(shù)與環(huán)境條件間的關(guān)系，另一方面更為鋼筋混凝土樓宇之健康監(jiān)測提供實用的參考數(shù)據(jù)。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 要可靠地評估結(jié)構(gòu)物的健康情況，區(qū)分并剔除無法避免的環(huán)境干擾是不可或缺的一環(huán)。本研究以貝葉氏概率方法為框架來處理嵬集所得的實時信息，用以探討環(huán)境因素對鋼筋混凝土樓宇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。 文中首先扼要地敘述了貝葉氏概率框架在模態(tài)參數(shù)辨識上的原理,并利用振臺實驗以測試和展示其操作。接著推廣至實地結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用上,以量化強風(fēng)荷載及日常溫濕差對樓宇結(jié)構(gòu)的影響。
科學(xué)性、先進性及獨特之處
- 本研究利用高精傳感器進行無損結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，此監(jiān)測系統(tǒng)的敏感度高達50V/g，能精確地檢測樓宇在日常運作下的微量結(jié)構(gòu)響應(yīng)。不再局限于只受‘強振動’(如地震、海浪波或運用激振器施加外來振動) 所影響的建筑物上。無疑地，此技術(shù)擁有成為評估建筑物健康狀況的大趨勢之潛力。有別于同類課題，這里以不對稱的高層建筑物為分析對象，并引入各環(huán)境條件作考慮因素，提出了對此類結(jié)構(gòu)在健康監(jiān)測應(yīng)用上的新準(zhǔn)則。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 透過分析和量化模態(tài)參數(shù)與環(huán)境因素間的關(guān)系，本研究為鋼筋混凝土樓宇在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用提供了極具參考價值的數(shù)據(jù)。文中以 Timoshenko 梁理論為基礎(chǔ)并引入環(huán)境條件作考慮因素，利用貝葉氏概率方法甄選出其最佳模型。此外，更展示了各最佳模型之響應(yīng)曲面及其對應(yīng)等高線圖，為可靠地評估結(jié)構(gòu)物的健康情況提供了一個更快捷更簡便的途徑。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通過分析系統(tǒng)的可測數(shù)據(jù)，以達到評估結(jié)構(gòu)完整性及診斷其損傷程度的目的。本研究以貝葉氏概率方法為框架來處理嵬集所得的實時信息，針對鋼筋混凝土樓宇，探討環(huán)境因素對其結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。貝葉氏概率方法突破慣有的系統(tǒng)識別演算方法，不僅能獲取參數(shù)估值，更能進一步量化其不確定性，以反映估算的優(yōu)劣。文中以一幢鋼筋混凝土樓宇作為研究對象，剖析下列兩個問題。一)結(jié)構(gòu)物在烈風(fēng)及紊流中的表現(xiàn)。跟據(jù)不同路徑，襲擊東亞樓的熱帶風(fēng)暴可劃分為從樓宇北面和南面掠過兩類，而所產(chǎn)生的拖曳力及向升力亦有顯注差別。本文以兩臺風(fēng)為例，重點對比了這兩類強風(fēng)荷載對東亞樓的影響。二)日常環(huán)境條件所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化之建模及量化。在日常運作下，樓宇的性質(zhì)不可避免地受外在環(huán)境的變化而改變，而當(dāng)中值得關(guān)注的是:這些變化甚至可能蒙蔽由結(jié)構(gòu)損傷所引致的訊息。因此，要可靠地評估結(jié)構(gòu)物的健康情況，區(qū)分外界環(huán)境的干擾是不可或缺的一環(huán)。本研究對東亞樓每日的觀測數(shù)據(jù)進行了為期一年的收集及分析，以用作追蹤外界環(huán)境條件對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。透過建模及量化，不但闡釋了模態(tài)參數(shù)與環(huán)境條件間的關(guān)系，更為鋼筋混凝土樓宇之健康監(jiān)測提供實用的參考數(shù)據(jù)。
獲獎情況
- 本項目部份內(nèi)容獲美國出版社 Nova Science Publishers 接納, 并將于 2010 年刊登: Yuen KV and Kuok SC. “Monitoring a 22-story building under severe typhoons with Bayesian spectral density approach.” Engineering mechanics: analyses，prediction and applications. New York: Nova Science Publishers; 2010. (Accepted for publication.)
鑒定結(jié)果
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參考文獻
- [1]Beck JL and Yuen KV，2004.Model selection using response measurements:Bayesian probabilistic approach. Journal of engineering mechanics.130(2):192-203. [2]Clinton JF，Bradford C.S，Heaton TH and Favela J，2006.The observed wander of the natural frequencies in a structure. Bulletin of the seismological society of America.96(1):237-57. [3]Cornwell P，F(xiàn)arrar CR，Doebling SW and Sohn H，1999.Environmental variability of modal properties Experimental techniques.23(6):45-8. [4]Li ZX，Chan THT and Ko JM，2002. Evaluation of typhoon induced fatigue damage for Tsing Ma Bridge.Engineering Structures.24(8):1035-47. [5]Xu YL，Chen SW and Zhang RC，2003. Modal identification of Di Wang building un-der typhoon York using the Hilbert-Huang transform method.Structural design tall buildings.12(1):21-47. [6]Yuen KV and Beck JL，2003. Updating properties of nonlinear dynamical systems with uncertain input. Journal of engineering mechanics.129(1):9-20.
同類課題研究水平概述
- 礙于傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所限，以往的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測只能應(yīng)用于受 ‘強振動’ (如地震、海浪波或運用激振器施加外來振動) 所影響的建筑物上 (Vandiver, 1975; Coppolino and Rubin, 1980)。近年隨著推陳出新的傳感器技術(shù)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測打破舊有的局限并得以推廣到實際應(yīng)用上 (Lin et al., 2000)。 Sohn et al. (2003) 對 1996 至 2001 年期間具代表性的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究項目作出了系統(tǒng)性的整理，發(fā)現(xiàn)了往往被忽略的環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)物的性質(zhì)有著重大影響，而且甚至可能蒙蔽由結(jié)構(gòu)損傷所引致的訊息。有見及此，本研究著重探討環(huán)境因素 (包括風(fēng)速、風(fēng)向及溫濕度) 對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的影響。 首先討論的問題為結(jié)構(gòu)物在烈風(fēng)及紊流中的表現(xiàn)。Li et al. (2002) 和 Xu et al. (2003) 分別對鋼板橋及高層樓宇在臺風(fēng)中的表現(xiàn)作分析。以往的這類課題側(cè)重于分析對稱的結(jié)構(gòu)，然而，在不穩(wěn)定的風(fēng)場中，非對稱結(jié)構(gòu)物所引伸的問題卻更值得關(guān)注。本文以非對稱樓宇為監(jiān)測對象，剖析結(jié)構(gòu)與風(fēng)荷載間的相互關(guān)系。 接著，為本研究的第二重點探討問題: 如何對日常環(huán)境條件所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化加以建模及量化? 長期而頻密的監(jiān)測，如Cornwell et al. (1999) 和 Clinton et al. (2006)，都表明各環(huán)境條件或多或少都對結(jié)構(gòu)的性質(zhì)造成影響?？墒?，前述的文獻都較著重于陳述而并未作深入量化分析。本文以 Timosh-enko 梁理論為基礎(chǔ)并引入環(huán)境條件作考慮因素，利用貝葉氏概率方法 (Beck and Yuen, 2004) 甄選出其最佳模型。當(dāng)中，貝葉氏概率方法 (Yuen and Beck, 2003) 突破慣有的系統(tǒng)識別演算方法，不僅能獲取參數(shù)的估值，更能進一步量化參數(shù)的不確定性，從而反映各估值的優(yōu)劣。此外，更展示了各最佳模型之響應(yīng)曲面及其對應(yīng)等高線圖，為可靠地評估結(jié)構(gòu)物的健康情況提供了一個更快捷更簡便的途徑。 透過分析和量化模態(tài)參數(shù)與環(huán)境因素間的關(guān)系，本研究為鋼筋混凝土樓宇在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的領(lǐng)域提供了極具參考價值的數(shù)據(jù)。
