BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
----------------------
HỒ KHẮC HẠNH
CHẨN ĐOÁN DẦM CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TRÊN MÔ HÌNH SỐ HOÁ
KẾT CẤU ĐƯỢC CẬP NHẬT SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN KẾT HỢP
MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO
Có thể bạn quan tâm!
-
Chẩn đoán dầm cầu bằng phương pháp phân tích dao động trên mô hình số hoá kết cấu được cập nhật sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn kết hợp mạng nơ ron nhân tạo - 2 -
Tổng Quan Về Giám Sát Sức Khỏe Kết Cấu Công Trình Dựa Trên Phương Pháp Đo Nhận Dạng Dao Động -
Tình Hình Nghiên Cứu Ở Việt Nam Về Giám Sát Sức Khỏe Kết Cấu Công Trình Dựa Trên Phương Pháp Đo Nhận Dạng Dao Động
Xem toàn bộ 154 trang tài liệu này.
Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm Mã số : 9580205
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Bùi Tiến Thành
2. PGS.TS. Ngô Văn Minh
HÀ NỘI – 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rò ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2021
Tác giả
Hồ Khắc Hạnh
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Đặt vấn đề nghiên cứu 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 4
3. Phương pháp nghiên cứu 5
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5
6. Nội dung của luận án 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT SỨC KHỎE KẾT CẤU CÔNG TRÌNH DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP ĐO NHẬN DẠNG DAO ĐỘNG 8
1.1. Tổng quan về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa vào kết quả đo các đặc trưng dao động 8
1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động 11
1.3. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về giám sát sức khỏe kết cấu công trình dựa trên phương pháp đo nhận dạng dao động 16
Kết luận Chương 1 18
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG KẾT CẤU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐO DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN ...19 2.1. Cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu 19
2.2. Các phương pháp chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên dao động 23
2.2.1. Phương pháp dựa trên sự thay đổi của tần số dao động riêng 23
2.2.2. Phương pháp dựa vào sự thay đổi của hình dạng dao động 25
2.2.3. Phương pháp dựa trên hàm đáp ứng tần số 34
2.3. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng thuật toán bầy đàn PSO 37
2.4. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng mạng nơ ron nhân tạo. 40
2.5. Chẩn đoán hư hỏng kết cấu dựa trên kết quả đo nhận dạng dao động sử dụng thuật toán kết hợp PSO-ANN. 44
Kết luận Chương 2 52
CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PSO KẾT HỢP VỚI ANN ĐỂ CHẨN ĐOÁN CÁC HƯ HỎNG CHO MÔ HÌNH SỐ 53
3.1. Cầu dầm giản đơn 53
3.1.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử 56
3.1.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử 59
3.2. Tấm composite 61
3.2.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử 64
3.2.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử 66
3.3. Cầu dàn thép liên tục 68
3.3.1. Trường hợp hư hỏng tại một phần tử 73
3.3.2. Trường hợp hư hỏng tại nhiều phần tử 75
Kết luận Chương 3 77
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG PSO KẾT HỢP VỚI ANN ĐỂ CHẨN ĐOÁN CÁC HƯ HỎNG TRÊN MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 79
4.1. Dầm giản đơn trong phòng thí nghiệm 79
4.1.1. Mô hình bài toán 79
4.1.2. Mô hình thực nghiệm 80
4.1.3. Phân tích, so sánh các kết quả thu được từ lý thuyết và thực nghiệm 83
4.2. Cầu Bến Quan 88
4.2.1. Giới thiệu về cầu Bến Quan 88
4.2.2. Mô hình thí nghiệm 89
4.2.3. Mô hình phần tử hữu hạn 91
4.2.4. Cập nhật mô hình và xác định hư hỏng trong kết cấu 92
Kết luận Chương 4 96
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cầu Tsing Ma được lắp đặt 600 đầu đo phục vụ cho việc giám sát sức khỏe kết cấu công trình 10
Hình 2.1. Sơ đồ thuật toán tối ưu hoá bầy đàn – PSO 39
Hình 2.2. Kiến trúc mạng ANN 40
Hình 2.3. Sơ đồ thuật toán ANN 43
Hình 2.4. Quá trình xác định giải pháp tối ưu dựa trên phương pháp GD của ANN (a) mạng với một điểm tối ưu toàn cục, (b) mạng với tối ưu toàn cục và cục bộ 45
Hình 2.5. Mạng với nhiều tối ưu cục bộ 46
Hình 2.6. Áp dụng PSO để khắc phục vấn đề tối ưu cục bộ của ANN 47
Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán PSO kết hợp song song với ANN 51
Hình 3.1. Bố trí chung cầu 53
Hình 3.2. Mặt cắt ngang cầu 54
Hình 3.3. Kiến trúc mạng nơ ron cho bài toán xác định hư hỏng trong dầm giản đơn.55 Hình 3.4. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 57
Hình 3.5. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 57
Hình 3.6. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 58
Hình 3.7. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 3: (a) 7% hư hỏng; (b) 70% hư hỏng 59
Hình 3.8. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 60
Hình 3.9. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 60
Hình 3.10. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 60
Hình 3.11. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 20% hư hỏng của phần tử 1 – và 60% hư hỏng của phần tử 3. 61
Hình 3.12. (a) Tấm composite 3 lớp ; (b) Mô hình phần tử hữu hạn 62
Hình 3.13. Hình dạng dao động của 15 mode đầu tiên 63
Hình 3.14. Kiến trúc mạng dùng để phát hiện hư hỏng của các phần tử trong tấm composite 64
Hình 3.15. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 64
Hình 3.16. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 65
Hình 3.17. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 9:
.......................................................................................................................................66
Hình 3.18. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 67
Hình 3.19. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 67
Hình 3.20. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 50% hư hỏng của phần tử 3 và 70% hư hỏng của phần tử 5. 68
Hình 3.21. Cầu Bến Thủy; (a) Kết cấu nhịp; (b) Mặt cắt ngang của cầu 69
Hình 3.22. Mô hình phần tử hữu hạn cầu Bến Thủy 70
Hình 3.23. Hình dạng dao động của một số mode tính toán 72
Hình 3.24. Kiến trúc mạng dùng để phát hiện hư hỏng 72
Hình 3.25. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 73
Hình 3.26. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 73
Hình 3.27. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 74
Hình 3.28. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của phần tử số 4: (a) 7% hư hỏng; (b) 80% hư hỏng 75
Hình 3.29. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 75
Hình 3.30. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 76
Hình 3.31. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 76
Hình 3.32. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO trong dầm: 20% hư hỏng của phần tử 2 và 80% hư hỏng của phần tử 8. 77
Hình 4.1. Dầm giản đơn với điều kiện biên tự do 79
Hình 4.2. Mô hình dầm thép được chia thành 21 phần tử 80
Hình 4.3. Thí nghiệm dầm thép [143] 81
Hình 4.4. Sơ đồ biểu diễn vị trí của các hư hỏng được tạo ra 81
Hình 4.5. Tần số dao động riêng thí nghiệm của dầm thép 83
Hình 4.6. Kiến trúc mạng nơ ron 84
Hình 4.7. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 85
Hình 4.8.Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 85
Hình 4.9. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 86
Hình 4.10. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO của 87
Hình 4.11. Cầu Bến Quan 88
Hình 4.12. Bố trí chung cầu Bến Quan 88
Hình 4.13. Mặt cắt ngang cầu Bến Quan 89
Hình 4.14. Đo đạc hiện trường (a) công tác chuẩn bị; (b) Thu thập dữ liệu 89
Hình 4.15. Tạo ra hư hỏng trên mặt cầu (a) phá hủy mặt cầu (b) thu thập tín hiệu sau khi phá hủy mặt cầu. 90
Hình 4.16. Bố trí điểm đo trên mặt cắt ngang 90
Hình 4.17. Mặt bằng lưới điểm đo trên mặt cầu 91
Hình 4.18. Mô hình cầu Bến Quan 91
Hình 4.19. Kiến trúc mạng nơ ron 93
Hình 4.20. Giá trị hồi quy (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 94
Hình 4.21. Sai số thực (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 94
Hình 4.22. Sai số phân bố (a) ANN và (b) ANN kết hợp với PSO 95
Hình 4.23. Kết quả phát hiện hư hỏng của PSO, ANN và ANNPSO 96
Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu của dầm chủ 53
Bảng 3.2. Tần số dao động riêng của mười mode đầu tiên 54
Bảng 3.3. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng đơn...58 Bảng 3.4. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại nhiều phần tử cho dầm xem xét. 61
Bảng 3.5. Thông số vật liệu của tấm Composite 62
Bảng 3.6. Tần số dao động riêng của 15 mode đầu tiên 62
Bảng 3.7. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại một phần tử 65
Bảng 3.8. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại hai phần tử 67
Bảng 3.9. Mặt cắt ngang của các thanh dàn 69
Bảng 3.10. Tần số dao động riêng của 15 mode đầu tiên 70
Bảng 3.11. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại một phần tử 74
Bảng 3.12. Các chỉ số đánh giá hiệu quả của các thuật toán - Kịch bản hư hỏng tại hai phần tử 76
Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu của dầm thép 79
Bảng 4.2. Tần số dao động riêng tính toán của 3 mode đầu tiên. 80
Bảng 4.3. Tần số dao động riêng của 3 mode đầu tiên 83
Bảng 4.4. Tần số dao động riêng của 3 mode đầu tiên 83
Bảng 4.5. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán 86
Bảng 4.6. Đặc trưng vật liệu của dầm chủ 89
Bảng 4.7. Tần số dao động của 4 mode dao động đầu tiên 91
Bảng 4.8. Tần số dao động của 4 mode dao động đầu tiên 92
Bảng 4.9. Tần số dao động riêng của 4 mode đầu tiên 92
Bảng 4.10. Các chỉ số đánh giá hiệu suất của các thuật toán 95