地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析方法及系统与流程

本发明属于水利水电工程结构健康监测与安全评估，具体涉及一种地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析方法和系统。

背景技术：

1、大坝作为重要的水利枢纽工程，其结构安全性直接关系到下游人民生命财产安全和区域防洪安全。在地震等动力荷载作用下，坝体结构容易产生裂缝并发生扩展，进而导致结构损伤累积和性能劣化。

2、目前，针对坝工结构物裂缝扩展和损伤演化判别存在以下技术难题：

3、（1）裂缝扩展模拟困难：传统有限元方法在处理裂缝扩展问题时面临网格重划分困难、计算效率低下等问题，难以准确模拟裂缝的萌生、扩展和贯通全过程；

4、（2）数值模型参数标定缺乏依据：近场动力学（peridynamics,pd）方法能够自然地模拟裂纹从萌生、扩展到分叉乃至破碎的全过程，但针对坝工结构裂缝扩展所需的标定参数，缺乏最能表现裂缝实际扩展情况的标定方法；

5、（3）损伤演化定量识别不准确：现有在线监控技术难以将监测信号与结构损伤劣化程度建立定量关联，无法实现裂缝损伤演化的实时判别和预警。

6、因此，亟需开发一种融合物理模型实验、数值仿真与信号分析的集成方法，实现地震动作用下坝体结构裂缝扩展和损伤演化的准确判别。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明提供一种地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析方法和系统，解决了现有技术中裂缝扩展模拟困难、数值模型参数标定缺乏依据、损伤演化定量识别不准确的问题。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：本发明第一方面提供地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析方法，包括以下步骤：

3、s1：构建坝体结构振动台物理模型，在模型中预设裂缝或裂缝扩展区域；布置加速度传感器阵列，采集预设裂缝附近及裂缝扩展区域的加速度振动数据，记录裂缝扩展的实际发展过程和最终形态；

4、s2：建立与物理模型几何相似的近场动力学数值模型；设定近场动力学关键参数的初始值和变化范围，所述近场动力学关键参数包括近场范围尺寸、微模量和临界伸长率；通过对比数值模拟裂缝扩展路径与物理实验观测结果，确定最优近场动力学参数组合，基于标定后的参数构建标准参数库；

5、s3：对采集的加速度振动信号进行集合经验模态分解，获得一系列本征模态函数；对主要本征模态函数分量进行希尔伯特-黄变换，提取瞬时频率和瞬时幅值；构建基于希尔伯特谱的能量损伤指标，建立信号演化特征与损伤劣化程度的定量关系；

6、s4：根据能量损伤指标的变化趋势，判别裂缝扩展阶段；结合数值仿真结果，预测裂缝未来拓展路径和剩余寿命；当损伤指标超过预设阈值时，触发多级预警机制。

7、优选地，步骤s1中，所述构建坝体结构振动台物理模型具体为：按1:50至1:200的几何比尺制作坝体模型，采用微粒混凝土或相似材料模拟坝体混凝土。

8、优选地，步骤s1中，所述在模型中预设裂缝或裂缝扩展区域具体为：在模型中部预设初始裂缝，裂缝长度10-50cm，宽度1-10cm，深度贯穿坝体厚度方向，裂缝倾角30°-75°。

9、优选地，步骤s1中，所述布置加速度传感器阵列具体为：沿初始裂缝尖端向坝体内部延伸方向间距2-10cm布置第一组加速度传感器，在裂缝扩展预期路径两侧对称布置第二组加速度传感器，在坝体远离裂缝的完整区域布置参考测点。

10、优选地，步骤s2中，所述确定最优近场动力学参数组合具体为：建立参数标定目标函数，该函数为数值模拟裂缝扩展长度和角度与实验观测值的相对误差平方和；采用遗传算法或粒子群优化算法，在参数变化范围内搜索使目标函数最小的最优参数。

11、优选地，步骤s3中，所述构建基于希尔伯特谱的能量损伤指标具体为：对加速度信号进行集合经验模态分解时，添加白噪声的幅值设为信号标准差的0.1-0.3倍，集合次数为50-200次；选择前3-5个高频本征模态函数分量进行希尔伯特-黄变换，提取200-800hz频率带内的希尔伯特谱能量；计算能量损伤指标edi(t)，该指标为瞬时希尔伯特谱能量与累积能量的比值乘以频率归一化系数。

12、优选地，步骤s4中，所述判别裂缝扩展阶段具体包括：

13、稳定扩展阶段：能量损伤指标在0.1-0.3范围内小幅波动，裂缝扩展速率小于0.5cm/s；

14、加速扩展阶段：能量损伤指标持续上升至0.3-0.7，裂缝扩展速率0.5-2.0cm/s；

15、临界破坏阶段：能量损伤指标急剧上升至0.7以上，裂缝扩展速率大于2.0cm/s。

16、优选地，步骤s4中，所述预测裂缝未来拓展路径具体为：当能量损伤指标进入加速扩展阶段时，将当前实测裂缝长度、角度作为近场动力学数值模型的初始条件，基于标定的最优参数计算设定时长内的裂缝扩展趋势；结合材料参数随机性进行蒙特卡洛模拟，获得扩展路径包络带。

17、优选地，步骤s4中，所述多级预警机制具体包括：

18、蓝色预警：能量损伤指标大于0.3，提示关注裂缝发展；

19、黄色预警：能量损伤指标大于0.5，建议加强监测频次并采取预防措施；

20、红色预警：能量损伤指标大于0.7，立即采取应急措施并启动应急预案。

21、本发明第二方面提供一种地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析系统，包括：

22、振动台实验模块，用于构建坝体结构振动台物理模型，在模型中预设裂缝或裂缝扩展区域；布置加速度传感器阵列，采集预设裂缝附近及裂缝扩展区域的加速度振动数据，记录裂缝扩展的实际发展过程和最终形态；

23、近场动力学仿真模块，用于建立与物理模型几何相似的近场动力学数值模型；设定近场动力学关键参数的初始值和变化范围，所述近场动力学关键参数包括近场范围尺寸、微模量和临界伸长率；通过对比数值模拟裂缝扩展路径与物理实验观测结果，确定最优近场动力学参数组合，基于标定后的参数构建标准参数库；

24、信号分析模块，用于对采集的加速度振动信号进行集合经验模态分解，获得一系列本征模态函数；对主要本征模态函数分量进行希尔伯特-黄变换，提取瞬时频率和瞬时幅值；构建基于希尔伯特谱的能量损伤指标，建立信号演化特征与损伤劣化程度的定量关系；

25、损伤判别与预警模块，用于根据能量损伤指标的变化趋势，判别裂缝扩展阶段；结合数值仿真结果，预测裂缝未来拓展路径和剩余寿命；当损伤指标超过预设阈值时，触发多级预警机制。

26、优选地，所述振动台实验模块包括振动台台面、坝体结构物理模型、加速度传感器阵列和数据采集系统；所述振动台台面用于承载坝体结构物理模型，所述加速度传感器阵列用于采集预设裂缝附近及裂缝扩展区域的加速度振动数据，所述数据采集系统用于记录裂缝扩展的实际发展过程和最终形态。

27、优选地，所述振动台实验模块中，坝体结构物理模型按1:50至1:200的几何比尺制作，采用微粒混凝土或相似材料模拟坝体混凝土；模型中部预设初始裂缝，裂缝长度10-50cm，宽度1-10cm，深度贯穿坝体厚度方向，裂缝倾角30°-75°。

28、优选地，所述近场动力学仿真模块具体用于：建立参数标定目标函数，该函数为数值模拟裂缝扩展长度和角度与实验观测值的相对误差平方和；采用遗传算法或粒子群优化算法，在参数变化范围内搜索使目标函数最小的最优参数。

29、优选地，所述信号分析模块具体用于：对加速度信号进行集合经验模态分解时，添加白噪声的幅值设为信号标准差的0.1-0.3倍，集合次数为50-200次；选择前3-5个高频本征模态函数分量进行希尔伯特-黄变换，提取200-800hz频率带内的希尔伯特谱能量；计算能量损伤指标edi(t)，该指标为瞬时希尔伯特谱能量与累积能量的比值乘以频率归一化系数。

30、优选地，所述损伤判别与预警模块具体用于按以下规则判别裂缝扩展阶段：

31、稳定扩展阶段：能量损伤指标在0.1-0.3范围内小幅波动，裂缝扩展速率小于0.5cm/s；

32、加速扩展阶段：能量损伤指标持续上升至0.3-0.7，裂缝扩展速率0.5-2.0cm/s；

33、临界破坏阶段：能量损伤指标急剧上升至0.7以上，裂缝扩展速率大于2.0cm/s。

34、根据权利要求10所述的地震动作用下坝体结构裂缝动力响应及损伤演化判别分析系统，其特征在于，所述损伤判别与预警模块的多级预警机制具体包括：

35、蓝色预警：能量损伤指标大于0.3，提示关注裂缝发展；

36、黄色预警：能量损伤指标大于0.5，建议加强监测频次并采取预防措施；

37、红色预警：能量损伤指标大于0.7，立即采取应急措施并启动应急预案。

38、本发明有如下有益效果：

39、1、本发明采用近场动力学（pd）方法避免了传统有限元的网格依赖性，能够自然地模拟裂缝的任意路径扩展和分叉现象，同时，通过振动台物理实验标定pd参数，确保了数值模型真实反映坝体裂缝扩展特性，实现了裂缝扩展的精确模拟，解决了纯数值模拟参数的不确定性问题。

40、2、本发明基于eemd-hht的信号分析方法，提取了对损伤敏感的希尔伯特谱能量特征，建立了信号演化与损伤劣化的定量映射关系，进而构建了定量化的损伤判别指标。

41、3、本发明建立了实验-仿真-信号分析的集成体系，形成了可推广的工程应用方法，标定后的pd参数库可应用于同类坝体结构，信号损伤指标可用于在线监测系统的实时损伤判别，具有显著的工程实用价值。