基于应变模态技术的桁架损伤识别研究

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结构健康监测是当前土木工程领域中的热点研究课题,而损伤识别是健康监测的核心内容。目前在众多的损伤识别技术中,基于振动理论的振动法识别技术由于经济有效、使用安全而引起了国内外学者的关注。振动识别技术是通过分析结构的固有频率、阻尼和模态振型等动力特性进行损伤位置和程度的识别。由于动力特性只与其本身固有属性有关,反映了结构的整体性态,因此振动识别技术具有全局损伤识别能力。结构振动损伤识别技术首先需解决损伤标识量的选择问题,文献表明,基于位移模态的损伤指标量对损伤欠敏感,而应变类的损伤指标法可以明显的提高其敏感性。故本文选用应变类的损伤指标法作为损伤标识量。由于应变模态在较复杂的工程结构上尚未应用,本文以常用的桁架结构为研究对象,对应变模态在工程结构的应用技术进行了数值仿真分析与试验研究,研究所得结论对基于应变模态结构损伤识别技术的实际应用具有积极的作用。 本文讨论了应变模态分析原理的三种形式、应变以及位移频响函数矩阵的特点及测试方法,为试验研究提供了理论基础;并讨论了两种桁架结构节点半刚化的模拟方法,为数值仿真提供了理论基础;通过数值仿真和试验研究相互验证了基于应变模态的损伤识别参数在桁架结构损伤识别中的有效性。 本文主要研究工作体现如下: 1、桁架结构数值仿真模型的修正考虑到实际工程中桁架结构相交处无论是采用直接连接方式还是节点板连接方式,一般情况下都是难以实现理想的“铰”,端部或多或少的有一定的转动约束,故修正以节点刚化程度(假设各节点刚化程度相同)为修正参数、前四阶的计算频率和实测频率差的绝对值和为目标函数,使用一阶优化方法进行优化。经过对数值仿真模型的修正,频率的相对误差控制在6%以内。 2、桁架结构损伤模拟使用面积折减法在应变振型的最大处进行损伤模拟,模拟四种工况,从结果得出如下结论:(1)桁架结构的固有频率大体上随损伤的加大呈下降趋势,但变化幅度较小;(2)应变振型能识别出损伤的位置和程度,但若损伤在某阶应变模态的节点附近,则应变振型在损伤前后变化不大;(3)应变振型随着损伤的加大,在损伤处急剧增加,损伤60%造成应变振型在损伤处增大2-5倍,而损伤30%所造成的应变振型在损伤处增大1倍左右;(4)不同的阶数对损伤识别的敏感程度不同,应多使用几阶进行判断。 3、桁架结构应变模态试验研究试验分四组,从结果中得出以下结论:(1)桁架结构的固有频率大体上随损伤的加大呈下降趋势,但变化幅度较小;(2)通过比较桁架结构损伤前后的前三阶应变振型,可以很容易的识别出损伤的位置;(3)从前三阶的应变变化图可以看出,应变振型可以识别出损伤的程度;(4)由第二阶应变振型变化图知:随着损伤的加大,应变振型在损伤处大幅度变化,损伤60%造成应变振型在损伤处增大4-5倍,而损伤30%所造成的应变振型在损伤处增大1倍左右;(5)不同的阶数对损伤识别的敏感程度不同,应尽可能多的使用几阶进行判断。试验研究验证了数值仿真的结论。
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