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

1、北京奧運(yùn)會(huì)所使用的比賽及訓(xùn)練場(chǎng)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(qiáng)、造型美觀、受力合理、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，為奧運(yùn)場(chǎng)館屋蓋結(jié)構(gòu)較多地采用，如奧運(yùn)自行車(chē)比賽館，其屋蓋采用雙層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：奧運(yùn)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(yùn)場(chǎng)館新穎、美觀、形式多樣的同時(shí)，其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性給結(jié)構(gòu)的參數(shù)識(shí)別和損傷檢測(cè)提出了新的挑戰(zhàn)。本文重點(diǎn)針對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別、模態(tài)局部化和躍遷

2、、損傷檢測(cè)開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究；此外，本文還對(duì)兩類(lèi)常見(jiàn)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(shí)別和損傷檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了有價(jià)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(cè)試技術(shù)。該技術(shù)聯(lián)合使用單點(diǎn)瞬態(tài)沖擊激勵(lì)技術(shù)和模態(tài)參數(shù)識(shí)別的復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法，通過(guò)單點(diǎn)瞬態(tài)沖擊激勵(lì)位置的優(yōu)化選取，最大程度地孤立或分離待識(shí)別模態(tài)，在較大程度上減輕結(jié)構(gòu)響應(yīng)中重頻(或近頻)模態(tài)之間的互相干擾；復(fù)模態(tài)指示函數(shù)法作為一

3、種先進(jìn)的頻域模態(tài)識(shí)別方法，能夠快速、自動(dòng)地確定結(jié)構(gòu)模念參數(shù)，優(yōu)于傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)法。對(duì)所提出的模態(tài)測(cè)試技術(shù)進(jìn)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(shí)別的有效性和準(zhǔn)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(guò)對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)的算例分析，證實(shí)了兩類(lèi)現(xiàn)象在理論上是存在的；利用矩陣攝動(dòng)法分析了兩類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)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(cè)試技術(shù)，對(duì)一個(gè)凱維特型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算和損傷檢測(cè)的重要影響；以一個(gè)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了同一地面運(yùn)動(dòng)激勵(lì)下，包含不同初始幾何缺陷的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力反應(yīng)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(dǎo)致的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模態(tài)局部化對(duì)結(jié)構(gòu)線性動(dòng)力反應(yīng)的

5、影響是不可忽略的，建議在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算中予以足夠的重視。 3.針對(duì)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(jiǎn)單，僅使用網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的少數(shù)振型和少量的測(cè)試自由度。通過(guò)一個(gè)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的算例分析，對(duì)所提出的損傷特征向量的性質(zhì)進(jìn)行了檢驗(yàn)。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(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型誤差具有一定的適應(yīng)性。進(jìn)一步，通過(guò)一個(gè)凱維特型單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模

6、型的損傷試驗(yàn)，驗(yàn)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(cè)設(shè)想，并進(jìn)行了試驗(yàn)探索。該設(shè)想首先對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分并按區(qū)域布置傳感器；然后利用單點(diǎn)隨機(jī)激勵(lì)獲得結(jié)構(gòu)的高階模態(tài)響應(yīng)，再由隨機(jī)減量技術(shù)和11)rahim時(shí)域辨識(shí)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(lái)指示損傷區(qū)域。對(duì)一個(gè)單層橢球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了損傷區(qū)域的檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)分析結(jié)果初步驗(yàn)證了所提出設(shè)想

7、的可行性。 5.針對(duì)環(huán)境激勵(lì)下層剪切結(jié)構(gòu)的剛度識(shí)別問(wèn)題，提出了一種新的解決方法。該方法采用自然激勵(lì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)隨機(jī)響應(yīng)向確定性響應(yīng)的過(guò)渡，推演了層剪切結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的參數(shù)解耦方程，以簡(jiǎn)化識(shí)別過(guò)程和降低計(jì)算量。將自然激勵(lì)技術(shù)、參數(shù)解耦方法和擴(kuò)展卡爾曼濾波算法三者有機(jī)結(jié)合，為環(huán)境激勵(lì)下層剪切結(jié)構(gòu)的剛度識(shí)別提供了一個(gè)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(duì)該方法進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法能夠比較準(zhǔn)確地

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