基于混合法的钢结构损伤识别方法研究

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结构健康监测对土木工程结构的状态评估与维护具有重要意义,其核心内容之一为结构损伤识别。在传统损伤定位方法中,多采用取平均处理多阶损伤指标,虽然有助于减小误差,但同时也弱化了不同模态之间的差异。本文基于单元相对模态应变能法,尝试对不同单元采取不同模态进行损伤定位,并结合测点布置和模型修正法,提出一种基于混合法的钢结构损伤识别方法。论文的主要内容和结论如下:(1)在能量系数—有效独立法的基础上,提出一种基于相对模态应变能的改进有效独立法,使用相对模态应变能代替模态应变能对有效独立向量进行修正,可以减小不同阶模态应变能差异的干扰。数值算例结果表明,改进有效独立法相比于能量系数—有效独立法可以获得更为合理的测点布置方案。(2)针对单元相对模态应变能应用时出现的模态应变能较小的单元的损伤指标不突出的“节点效应”问题展开研究,提出了考虑节点效应的单元相对模态应变能法,对不同单元采取不同模态进行损伤定位,并引入校验环节减少偶然性。算例结果表明,改进方法可以减弱“节点效应”,且相比于传统单元相对模态应变能法具有更好的定位性能。(3)将基于特征灵敏度分析的模型修正法用于损伤程度定量分析,并根据实际结构损伤时通常仅有少量单元或子结构发生损伤的特点,在特征灵敏度分析中引入稀疏性约束以优化解的结构。针对灵敏度分析时修正参数过多引起的反演困难问题,采用单元敏感性分析进行改进,以减少修正参数数量。数值算例结果表明,稀疏性约束和敏感性分析可以提高损伤识别的准确性。(4)结合考虑节点效应的单元相对模态应变能法的定位能力和考虑稀疏性约束的灵敏度分析法的定量分析能力,形成了基于混合法的钢结构损伤识别方法,首先通过改进有效独立法确定测点,获取损伤前后的模态参数后使用考虑节点效应的单元相对模态应变能法确定疑似损伤单元集合,最后将其代入考虑稀疏性约束的灵敏度分析法中求解损伤系数。在ASCE Benchmark模型上进行了数值模拟,验证了本文方法的有效性。
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