索桿張力結(jié)構(gòu)剛度的動力監(jiān)測理論研究.pdf

1、最早建成的大跨度索桿張力結(jié)構(gòu)服役時間已經(jīng)超過30年，但目前此類結(jié)構(gòu)在健康監(jiān)測與性能評價方面的研究還不多，深入性的工作更是少見。索桿張力結(jié)構(gòu)的剛度構(gòu)成機理與常規(guī)結(jié)構(gòu)存在重要區(qū)別，需要依靠預(yù)應(yīng)力來提供結(jié)構(gòu)剛度并維持穩(wěn)定性。經(jīng)驗表明，索桿張力結(jié)構(gòu)的設(shè)計一般由剛度驗算控制，相比之下結(jié)構(gòu)強度性能往往容易滿足。由于擔(dān)心結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)較大偏差，因此預(yù)應(yīng)力也成為在役期索桿張力結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測的重點。目前索桿張力結(jié)構(gòu)實際工程中，預(yù)應(yīng)力基本是通過直接測試索力來實

2、施監(jiān)測，但有限的索力測試數(shù)據(jù)通常較難對結(jié)構(gòu)的整體預(yù)應(yīng)力和剛度變化情況進行有效評價。本論文提出采用傳統(tǒng)動力測試法來直接監(jiān)測索桿張力結(jié)構(gòu)剛度的新思路。考慮到索桿張力結(jié)構(gòu)存在頻率分布密集、模態(tài)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力偏差敏感等特點，對采用動力測試法進行此類結(jié)構(gòu)剛度監(jiān)測時存在的重要理論問題開展研究，具體包括以下五方面內(nèi)容:
　　(1)對于特定的荷載，各種剛度成分是否能夠?qū)υ摵奢d所產(chǎn)生的變形起到主要抵抗作用應(yīng)該能夠被定量分析。這不僅有助于分析結(jié)構(gòu)的傳力

3、路徑，而且是有效實施剛度監(jiān)測的依據(jù)。本文提出了一種能量形式的索桿張力結(jié)構(gòu)剛度成分貢獻度評價指標(biāo)。該指標(biāo)可以在結(jié)構(gòu)和構(gòu)件層面描述彈性剛度和幾何剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻大小。更重要的是，以剛度矩陣各特征方向為對象，利用該指標(biāo)還可以評價各特征方向剛度對特定荷載所產(chǎn)生變形的抵抗能力，且最終可從結(jié)構(gòu)整體剛度中分離出“關(guān)鍵剛度”并作為結(jié)構(gòu)剛度監(jiān)測的重點。
　　(2)傳統(tǒng)方法一般基于理想結(jié)構(gòu)（無預(yù)應(yīng)力偏差）的模態(tài)信息來開展動力測試，但這僅適用于

4、實際結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)模態(tài)差異較小的情況。索桿張力結(jié)構(gòu)的頻率分布密集且模態(tài)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力偏差敏感，因此有必要考慮實際結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（頻率和振型）受隨機預(yù)應(yīng)力偏差的影響。本文建立了構(gòu)件長度誤差與模態(tài)特征值、振型之間的靈敏度關(guān)系?？紤]隨機預(yù)應(yīng)力偏差的影響，提出了索桿張力結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)變化幅值的估計方法以及是否會發(fā)生模態(tài)躍遷的判斷準(zhǔn)則。借助算例，還分析了隨機預(yù)應(yīng)力偏差對索桿張力結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的一般性影響規(guī)律。
　　(3)基于模態(tài)空間的貢獻度分析，本

5、文提出了一種對索桿張力結(jié)構(gòu)關(guān)鍵剛度實施動力監(jiān)測的目標(biāo)模態(tài)確定方法。由于索桿張力結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力偏差敏感，因此僅基于理想結(jié)構(gòu)模型確定的目標(biāo)模態(tài)往往不足以充分反映實際結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵剛度。針對此問題，本文進一步針對隨機預(yù)應(yīng)力偏差造成結(jié)構(gòu)振型變化和模態(tài)躍遷這兩種情況，提出了適用于實際結(jié)構(gòu)關(guān)鍵剛度監(jiān)測的目標(biāo)模態(tài)擴展策略。算例分析表明，根據(jù)該擴展策略確定的目標(biāo)模態(tài)可完全包絡(luò)隨機預(yù)應(yīng)力偏差對索桿張力結(jié)構(gòu)模態(tài)特征的影響，能充分反映實際結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵剛度。

6、
　　(4)正是由于模態(tài)參數(shù)對預(yù)應(yīng)力偏差的敏感性，僅考慮理想結(jié)構(gòu)模型信息的傳統(tǒng)非完備振型擴展方法在應(yīng)用于索桿張力結(jié)構(gòu)時容易失效。本文提出一種考慮隨機預(yù)應(yīng)力偏差影響的索桿張力結(jié)構(gòu)振型擴展的新方法。該方法的基本思路是將實際結(jié)構(gòu)的振型近似表示為少數(shù)提供主要貢獻的理想結(jié)構(gòu)振型的線性組合，只要能合理確定這些貢獻模態(tài)并對它們的組合系數(shù)進行最佳估計，則可完成目標(biāo)模態(tài)的振型擴展。文中考慮振型變化和模態(tài)躍遷的影響提出了貢獻模態(tài)的確定方法。此外，還進

7、一步提出了一種改進的有效獨立法(CMEI法)來獲得貢獻模態(tài)組合系數(shù)的最佳估計，同時也解決了傳感器的最優(yōu)布置問題。算例分析表明，本文所提方法能夠有效進行存在隨機預(yù)應(yīng)力偏差影響的索桿張力結(jié)構(gòu)的振型擴展。即使對于變化劇烈的模態(tài)和存在高噪聲污染的情況，該方法也能保持很高的計算精度。
　　(5)不考慮激勵優(yōu)化的常規(guī)模態(tài)測試方法對密集模態(tài)的識別精度較低。為提高識別精度，配合模態(tài)識別的時域法本文提出一種基于優(yōu)化階躍激勵的密集模態(tài)測試方法。該方法