網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)參數(shù)識別技術(shù)和損傷檢測方法研究.pdf

1、北京奧運會所使用的比賽及訓練場館廣泛采用了空間結(jié)構(gòu)的形式。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)中的一種主要形式，其具有跨越能力強、造型美觀、受力合理、施工簡便等優(yōu)點，為奧運場館屋蓋結(jié)構(gòu)較多地采用，如奧運自行車比賽館，其屋蓋采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：奧運羽毛球比賽館，其屋蓋采用弦支球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，等等。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在保證奧運場館新穎、美觀、形式多樣的同時，其復雜的動力學特性給結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別和損傷檢測提出了新的挑戰(zhàn)。本文重點針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別、模態(tài)局部化和躍遷

2、、損傷檢測開展了系統(tǒng)深入的研究；此外，本文還對兩類常見的建筑結(jié)構(gòu)——層剪切結(jié)構(gòu)和混凝土梁式結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別和損傷檢測問題進行了有價值的研究和探索。取得的研究成果分述如下： 1.提出了一種適用于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試技術(shù)。該技術(shù)聯(lián)合使用單點瞬態(tài)沖擊激勵技術(shù)和模態(tài)參數(shù)識別的復模態(tài)指示函數(shù)法，通過單點瞬態(tài)沖擊激勵位置的優(yōu)化選取，最大程度地孤立或分離待識別模態(tài)，在較大程度上減輕結(jié)構(gòu)響應中重頻(或近頻)模態(tài)之間的互相干擾；復模態(tài)指示函數(shù)法作為一

3、種先進的頻域模態(tài)識別方法，能夠快速、自動地確定結(jié)構(gòu)模念參數(shù)，優(yōu)于傳統(tǒng)的峰值檢測法。對所提出的模態(tài)測試技術(shù)進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠在一定程度上保證網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的有效性和準確性。 2.較為系統(tǒng)地研究了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)局部化和躍遷現(xiàn)象。通過對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)的算例分析，證實了兩類現(xiàn)象在理論上是存在的；利用矩陣攝動法分析了兩類現(xiàn)象的發(fā)生機理，即網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)局部化和躍遷現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)因是結(jié)構(gòu)固有頻率的密集分布，外因是結(jié)構(gòu)物理

4、參數(shù)的小量變化；部分采用本文提出的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)測試技術(shù)，對一個凱維特型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行了模型試驗，試驗結(jié)果驗證了模態(tài)局部化現(xiàn)象的存在性；闡述了模態(tài)局部化和躍遷對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震計算和損傷檢測的重要影響；以一個單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，進行了同一地面運動激勵下，包含不同初始幾何缺陷的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的線性動力反應分析，分析結(jié)果表明，與不考慮初始幾何缺陷相比，某些桿件的軸壓力峰值顯著增大。因此，初始幾何缺陷所導致的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)局部化對結(jié)構(gòu)線性動力反應的

5、影響是不可忽略的，建議在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震計算中予以足夠的重視。 3.針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的輕度損傷，基于模態(tài)局部化和躍遷現(xiàn)象，提出了一種性質(zhì)優(yōu)良的損傷特征向量。該向量的構(gòu)造簡單，僅使用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的少數(shù)振型和少量的測試自由度。通過一個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的算例分析，對所提出的損傷特征向量的性質(zhì)進行了檢驗。結(jié)果表明，該向量不僅具有較好的空間可分辨性、損傷敏感性和噪聲魯棒性，并且對結(jié)構(gòu)有限元模型誤差具有一定的適應性。進一步，通過一個凱維特型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模

6、型的損傷試驗，驗證了損傷特征向量的良好性質(zhì)。 4.提出了一種基于高階模態(tài)振型差的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)損傷區(qū)域檢測設想，并進行了試驗探索。該設想首先對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行區(qū)域劃分并按區(qū)域布置傳感器；然后利用單點隨機激勵獲得結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)響應，再由隨機減量技術(shù)和11)rahim時域辨識算法獲取結(jié)構(gòu)高階模態(tài)參數(shù)；最后，利用損傷前后高階模態(tài)振型差值的最大值來指示損傷區(qū)域。對一個單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型進行了損傷區(qū)域的檢測試驗，試驗分析結(jié)果初步驗證了所提出設想

7、的可行性。 5.針對環(huán)境激勵下層剪切結(jié)構(gòu)的剛度識別問題，提出了一種新的解決方法。該方法采用自然激勵技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨機響應向確定性響應的過渡，推演了層剪切結(jié)構(gòu)自由振動的參數(shù)解耦方程，以簡化識別過程和降低計算量。將自然激勵技術(shù)、參數(shù)解耦方法和擴展卡爾曼濾波算法三者有機結(jié)合，為環(huán)境激勵下層剪切結(jié)構(gòu)的剛度識別提供了一個較好的解決方案。分別以六自由度和十自由度的層剪切結(jié)構(gòu)為例，對該方法進行了數(shù)值模擬和試驗驗證，結(jié)果表明，該方法能夠比較準確地

8、識別結(jié)構(gòu)層間剛度，具有較好的工程應用前景，可用于框架結(jié)構(gòu)建筑、連續(xù)梁橋以及力學模型可簡化為鏈狀多自由度系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中。 6.對鋼筋混凝土簡支梁加載損傷后的阻尼特征進行了試驗研究，提出了一種描述結(jié)構(gòu)阻尼特征的新指標——相鄰周期耗能比，并通過試驗分析給出了該指標與簡支梁彎曲裂縫損傷的關(guān)系。試驗通過靜力加載模擬簡支梁的損傷累積過程，通過突加荷載試驗跟蹤簡支梁阻尼特征隨加載損傷等級的變化，深入分析和比較了阻尼比、相鄰周期耗能