索桿張力結構剛度的動力監(jiān)測理論研究.pdf

1、最早建成的大跨度索桿張力結構服役時間已經超過30年，但目前此類結構在健康監(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。索桿張力結構的剛度構成機理與常規(guī)結構存在重要區(qū)別，需要依靠預應力來提供結構剛度并維持穩(wěn)定性。經驗表明，索桿張力結構的設計一般由剛度驗算控制，相比之下結構強度性能往往容易滿足。由于擔心結構剛度出現(xiàn)較大偏差，因此預應力也成為在役期索桿張力結構性能監(jiān)測的重點。目前索桿張力結構實際工程中，預應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據通常較難對結構的整體預應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)測索桿張力結構剛度的新思路?？紤]到索桿張力結構存在頻率分布密集、模態(tài)參數對預應力偏差敏感等特點，對采用動力測試法進行此類結構剛度監(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容:
　　(1)對于特定的荷載，各種剛度成分是否能夠對該荷載所產生的變形起到主要抵抗作用應該能夠被定量分析。這不僅有助于分析結構的傳力

3、路徑，而且是有效實施剛度監(jiān)測的依據。本文提出了一種能量形式的索桿張力結構剛度成分貢獻度評價指標。該指標可以在結構和構件層面描述彈性剛度和幾何剛度對結構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，利用該指標還可以評價各特征方向剛度對特定荷載所產生變形的抵抗能力，且最終可從結構整體剛度中分離出“關鍵剛度”并作為結構剛度監(jiān)測的重點。
　　(2)傳統(tǒng)方法一般基于理想結構（無預應力偏差）的模態(tài)信息來開展動力測試，但這僅適用于

4、實際結構與理想結構模態(tài)差異較小的情況。索桿張力結構的頻率分布密集且模態(tài)參數對預應力偏差敏感，因此有必要考慮實際結構模態(tài)參數（頻率和振型）受隨機預應力偏差的影響。本文建立了構件長度誤差與模態(tài)特征值、振型之間的靈敏度關系。考慮隨機預應力偏差的影響，提出了索桿張力結構模態(tài)參數變化幅值的估計方法以及是否會發(fā)生模態(tài)躍遷的判斷準則。借助算例，還分析了隨機預應力偏差對索桿張力結構模態(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構關鍵剛度實施動力監(jiān)測的目標模態(tài)確定方法。由于索桿張力結構的模態(tài)參數對預應力偏差敏感，因此僅基于理想結構模型確定的目標模態(tài)往往不足以充分反映實際結構的關鍵剛度。針對此問題，本文進一步針對隨機預應力偏差造成結構振型變化和模態(tài)躍遷這兩種情況，提出了適用于實際結構關鍵剛度監(jiān)測的目標模態(tài)擴展策略。算例分析表明，根據該擴展策略確定的目標模態(tài)可完全包絡隨機預應力偏差對索桿張力結構模態(tài)特征的影響，能充分反映實際結構的關鍵剛度。

6、
　　(4)正是由于模態(tài)參數對預應力偏差的敏感性，僅考慮理想結構模型信息的傳統(tǒng)非完備振型擴展方法在應用于索桿張力結構時容易失效。本文提出一種考慮隨機預應力偏差影響的索桿張力結構振型擴展的新方法。該方法的基本思路是將實際結構的振型近似表示為少數提供主要貢獻的理想結構振型的線性組合，只要能合理確定這些貢獻模態(tài)并對它們的組合系數進行最佳估計，則可完成目標模態(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應力偏差影響的索桿張力結構的振型擴展。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