古建結構荷載、剛度等關鍵參數識別及工作狀態(tài)評估研究.pdf

1、古代建筑是先人為我們留下的珍貴文化瑰寶，具有歷史、文化、科技、藝術等多方面價值。古代建筑建造年代久遠，在其服役過程中會受到環(huán)境荷載作用及材料老化等不利因素，結構不可避免的產生損傷積累和抗力衰減。使得很多古建筑的結構安全狀態(tài)令人擔憂，甚至具有局部破壞或整體坍塌的可能性。這不僅會帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，從遺產保護的角度來說，這種破壞帶來的后果是災難性的。因此，對古建筑結構的安全性進行評估是非常重要和緊迫的。
　　考慮到古建筑材料

2、受自然環(huán)境影響而退化;結構內部構件連接松動會導致節(jié)點剛度退化;結構內部損傷累積導致承載力較弱，不宜通過加載試驗確定結構參數，本文的主要目的是提出基于環(huán)境激勵的結構工作狀態(tài)評估方法。工作狀態(tài)評估內容主要包括安全性、適用性和耐久性三個方面。安全性是指結構承載能力評估，與結構和構件剛度和穩(wěn)定性能有關;適用性是指結構的工作極限狀態(tài)評估，與結構和構件在荷載作用下的變形、振動等有關;耐久性主要指對結構損傷的評估。為達成上述研究目的，擬解決如下三個問

3、題:1）在不同荷載作用下，結構的動力特性如何？2）作用在結構上的荷載情況如何考慮？3）古建結構中未知的節(jié)點參數和邊界條件如何確定？因此，本論文的研究內容主要如下:本文研究目的是提出適用于古代建筑的結構狀態(tài)性能評估方法。
　　(1)對結構健康監(jiān)測的數據分析表明，外荷載與結構參數的變化對結構自振頻率和阻尼比均有顯著影響。利用結構動態(tài)測試數據來診斷結構是否發(fā)生損傷，進而提出修復方案，其最大優(yōu)點是將導致結構振動的外界因素作為激勵源，可以在

4、不進行加載的情況下完成結構損傷的在線監(jiān)測與診斷。本部分詳細介紹了結構動力監(jiān)測系統，研究了該結構在多種荷載作用下的動力響應特性及結構狀態(tài)，并基于長期的監(jiān)測數據，計算得到結構在不同工作狀態(tài)下結構動力性能參數變化的情況，為監(jiān)測系統構建合理的預警機制，獲得相對完備的安全狀態(tài)評估系統所需信息及評價指標做出貢獻，并得到如下成果與結論:通過為期三年的動力監(jiān)測，基于協方差驅動狀態(tài)子空間法和奇異譜分解法分析獲得了結構響應與客流數量、溫度和地震作用的關系。

5、其中結構的第一、三階頻率更容易受到人群荷載的影響，在分析游客數量對結構作用影響時該兩階頻率對應的信號可以作為主要研究對象;結構第一、二階頻率更容易受到溫度變化的影響，在溫度對結構作用影響時該兩階頻率對應的信號可以作為主要研究對象;地震作用對結構的頻率和加速度信號有很重要的影響，但作用將會在一段時間后消失。地震作用將激發(fā)結構更多頻率峰值的出現，同時原有的一些頻率對應的峰值會被削弱。
　　(2)建筑結構在正常使用情況下受到人群荷載、溫

6、度荷載、地震作用和風荷載等多種荷載的作用。如何反映建筑結構上的真實荷載狀況，對建筑結構的正常維護、安全運營、損傷識別和狀態(tài)評估具有重要意義。特別是溫度荷載對大跨結構、高層建筑結構以及古建木結構影響很大。因此本文提出了可同時識別結構上外部荷載及溫度荷載的計算方法。該方法可在溫度荷載信息不完備的情況下，將溫度荷載從結構外部荷載中進行解耦，從而獲得作用在結構上的準確荷載情況。該部分成果與結論如下，此方法可以克服測量噪聲的影響，準確的識別出作用

7、在結構上的外部荷載及環(huán)境荷載。數值模擬計算結果表明，當考慮10％測量噪聲影響時，環(huán)境荷載識別結果與理想值誤差小于8％，因此可以認為該方法可以準確的識別環(huán)境荷載，為古建筑狀態(tài)評估提供了理論依據。
　　(3)結構參數識別是建立健康監(jiān)測系統、進行結構損傷識別與狀態(tài)評估工作的基礎，對維護現役結構的安全與正常運營有重要的意義?？紤]到古建筑結構節(jié)點連接方式復雜，剛度未知，本文提出了一個基于溫度靈敏度法對結構參數進行識別并對依據結構初始狀態(tài)建立

8、的有限元模型予以修正的計算方法。在模型建立中，考慮了構件之間的摩擦作用、存在的縫隙以及暗銷的剪切作用，更為準確的模擬了古建筑的工作情況。該方法基于結構動力監(jiān)測數據，建立了系統輸入（環(huán)境荷載）與系統輸出（結構響應）之間的關系，從而對結構中剛度不確定的構件進行了準確的參數識別并提出了一種有效的邊界條件簡化方式，以便更合理的表示出古建筑木結構狀態(tài)的變化，進而為古建筑狀態(tài)評估奠定基礎。計算結果表明，該方法抗噪性強，準確度高。將基于該方法計算得到