基于主失效模式的結(jié)構(gòu)損傷識別方法.pdf

1、大跨徑橋梁等重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全問題，是土木工程界廣泛關(guān)注的重要課題。眾所周知，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在解決該問題方面擁有很大的潛力。多年來，結(jié)構(gòu)損傷識別一直是健康監(jiān)測研究的重點、熱點與難點之一。本文針對結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)概率最高、后果嚴重的失效模式研究損傷識別理論；根據(jù)結(jié)構(gòu)在這些模式下展現(xiàn)出來的典型特征，研發(fā)新的損傷識別技術(shù)。
　　一般的損傷識別理論是基于結(jié)構(gòu)狀態(tài)比較，即通過比較結(jié)構(gòu)在損傷狀態(tài)與參考狀態(tài)（通常選為無損狀態(tài)）的差異來判斷有/無損傷

2、、損傷位置與程度。理論研究與工程實踐均表明，眾多的既有識別方法的效果尚待提高。本文將參考點轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的失效狀態(tài)，并把結(jié)構(gòu)可靠度領(lǐng)域的重要概念——主（要）失效模式引入到損傷識別研究中，提出了新的研究框架；基于結(jié)構(gòu)失效過程中的動力特性與靜態(tài)特征，提出了新的損傷識別理論與方法；有限元分析與模型實驗結(jié)果表明，新方法能夠有效識別圬工砌體拱機構(gòu)失效模式與鋼筋混凝土簡支梁彎曲失效模式下的損傷。本文主要內(nèi)容如下：
　?、倩诮Y(jié)構(gòu)的主失效模式識別損傷

3、，需要解決的首要問題是如何搜索結(jié)構(gòu)的主失效模式及其失效概率計算。首先，介紹了結(jié)構(gòu)主（要）失效模式的概念，簡要分析了結(jié)構(gòu)主失效模式搜索、枚舉的常用方法。其次，針對簡支梁結(jié)構(gòu)，介紹了其主要失效模式——彎曲模式的理論分析與概率計算方法；剖析了鋼筋混凝土簡支梁按該模式破壞過程中的典型特征——撓曲線線性化；圍繞圬工砌體無鉸拱結(jié)構(gòu)，提出了搜索該類結(jié)構(gòu)主要失效模式之一——機構(gòu)失效模式的方法。最后，剖析了基于主失效模式的損傷識別與常規(guī)研究的差異，提出損

4、傷識別研究新框架。
　?、跒榱藱z驗上述無鉸拱機構(gòu)失效模式的搜索方法，進行了有限元模型計算分析、開展了圬工砌體無鉸拱模型實驗，重現(xiàn)了機構(gòu)模式的失效過程。首先，建立有限元模型，采用上述搜索方法找到了圬工拱的全部失效路徑。其次，制作了混凝土預(yù)制塊無鉸拱試件，并進行了加載至破壞的實驗；分析了加載過程中試件響應(yīng)特別是鉸的形成過程與失效特征；結(jié)果顯示：拱試件因形成五個鉸的機構(gòu)而發(fā)生破壞，鉸的生成次序和拱的失效過程與理論預(yù)測吻合。
　?、?/p>

5、根據(jù)拱結(jié)構(gòu)按機構(gòu)失效模式破壞過程中展現(xiàn)出來的自振頻率與模態(tài)振型演變軌跡，研究了基于結(jié)構(gòu)動力特性的損傷識別理論和方法。首先，從結(jié)構(gòu)的運動方程出發(fā)，分析并指出了基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的損傷識別方法的決定性因素之一是結(jié)構(gòu)屬性（如剛度等）這一事實；分析了損傷階段、動力響應(yīng)的改變和結(jié)構(gòu)屬性的變化之間的對應(yīng)關(guān)系，凝練了以下研究思路：研究結(jié)構(gòu)按主要模式失效的過程，得到結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣及其動力特性的演化規(guī)律，然后基于動力特性的演化路徑識別損傷。其次，基于無鉸拱

6、機構(gòu)失效模式下多階頻率和振型的變化路徑，采用攝動方法與直接以多階頻率/振型的變化構(gòu)造指標的方法識別損傷。最后，以實驗拱的機構(gòu)失效路徑為對象，對上述方法進行了數(shù)值檢驗。
　?、車@簡支梁的主要失效模式之一——彎曲模式，基于失效過程中展現(xiàn)出來的靜態(tài)特征提出結(jié)構(gòu)損傷識別理論與方法。首先，基于實驗觀測歸納出簡支梁按彎曲模式失效過程中典型靜態(tài)特征——撓曲線線性化，即隨著損傷的逐漸發(fā)展撓曲線的非線性逐漸退化、由連續(xù)曲線逐漸變?yōu)榉侄沃本€段。其次

7、，建立解析模型分析梁段線形與損傷區(qū)域強度之間的關(guān)系，從理論上構(gòu)建了撓曲線線性化程度與損傷狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系；將損傷程度識別問題轉(zhuǎn)化為梁段撓曲線與其割線（也稱“極限線”）之間差異的量化。最后，提出了基于Fourier級數(shù)分解的損傷識別方法：利用 Fourier級數(shù)分解梁段的撓曲線與極限線的函數(shù)表達式以得到Fourier系數(shù)，以兩線的Fourier系數(shù)向量之間的夾角表征損傷程度；搜索撓曲線上一階導(dǎo)數(shù)突變點的位置，實現(xiàn)了損傷定位。
　　

8、⑤開展鋼筋混凝土簡支梁的模型實驗研究，以檢驗基于主失效模式下的靜態(tài)特征的識別方法。制作八片鋼筋混凝土簡支梁試件，并加載至破壞。實驗現(xiàn)象與測試數(shù)據(jù)表明：加載過程中，梁的撓曲線逐漸向直線段演變、最終因形成混凝土鉸而發(fā)生破壞，即觀測到了撓曲線線性化現(xiàn)象；采用Fourier級數(shù)分解的方法，精確識別了加載過程中鉸出現(xiàn)的區(qū)域與構(gòu)件的損傷程度。模型實驗表明：上述方法能夠準確地識別鋼筋混凝土簡支梁的損傷——判斷有損/無損、損傷位置與程度。
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