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结构损伤识别与模型更新方法研究

王茂龙  
【摘要】: 近年来,在不同工程领域,损伤评估技术及模型更新技术均引起人们的广泛关注。随着模态分析技术、振动测试技术及相应的数字信号处理技术的迅速发展和结构实验条件的明显改善,结构损伤识别技术和模型更新技术的研究得到了快速发展。同时,多种测试手段的结合运用也加快了这些技术及基于这些技术的无损评估方法在实际工程中的应用步伐。为使识别技术和更新技术在土木工程领域能得到进一步的推广应用,本文在现有研究成果的基础上进行了深入的研究和探索。 本文在系统总结了近年来结构损伤识别及模型更新领域比较成熟的方法和新的研究思路基础上,进行了针对模态试验中只获得低阶模态及部分自由度测试信息条件下的结构损伤识别方法及模型更新方法研究,提出了适用于建筑结构损伤定位的方法以及结构模型局部动态特性更新的方法。为此,本文就以下几个方面开展了探索性的研究工作: 1、采用动-静态测试数据进行结构损伤识别方法的研究 在对应用模态参数进行结构损伤识别现状的研究基础上,通过对算法优劣性和适用性的比较,确定采用信号匹配技术作为本文研究损伤识别方法的理论基础。进而利用预测分析结果与试验测试结果的差异,提出了采用动—静态测试数据相结合的识别方法,进行结构损伤识别研究。在此项研究中,推证模态振型曲率变化与结构表面应变之间存在的函数关系,由此提出采用应变变化率及频率变化率的组合值作为损伤识别指针对结构损伤部位进行识别。对结构静态测试中,不同荷载工况形成不同的荷载传递路径,从而导致结构有效的损伤信息被‘隐藏’的情况,采用多种荷载工况优化组合进行结构静力测试分析;利用振动测试中结构低阶模态表现出的较高的可信度,通过选择合适的动态及静态测试数据,对比有限元分析预测结果进行结构损伤部位和损伤程度的识别研究。 2、用于结构损伤识别的动态方法研究 主要研究脉动测试数据用于结构损伤识别的方法。内容包括:完成砌体结构模型的脉动测试;为了识别准确的砌体结构固有频率和相应的振型,提出动态参数识别的互补校正法;针对砌体结构模型,应用振动反演理论进行结构参数的识别研究,并对采用结构剩余刚度及残余力向量来判定砌体结构损伤部位的方法进行了研究。 3、砌体模型试验研究 对三层1/2比例的砖混房屋模型进行拟静力试验和脉动测试试验。利用试验中采集到的测试数据,应用本文方法进行了结构损伤部位识别研究;为使结构的局部动态特性满足即定的要求,进行砌体模型层间质量的调整试验研究;监测结构在平行移动过程中及在拟静力试验各个阶段的动态特性变化;研究结构模型在拟静力试验过程中的刚度退化、强度变化规律和破坏形态。上述研究的主要目的是为此类房屋的振动响应控制及动态特性调整提供有益的参考。 4、模型动态特性更新方法研究 针对损伤结构的动态特性不满足设计使用要求,或完好结构面临振动响应控制与调整问题的情况,通过对损伤识别方法的深入研究和改进,介绍了一种基于反演理论的无阻尼结构动态特性调整方法,目的是优化结构的工作性能,同时也为损伤结构的修复改造提供一种新思路。此方法根据原结构的动态特性,利用与局部调整点相关联的频率特性函数,通过对无阻尼自由振动系统方程的一系列变换,进行结构局部质量或刚度参数的调整计算通解的推导,并应用通解计算值进行模型有针 WP=5 对性的调整研究,使调整后结构的局部自振频率和相对应的振型可以满足预先的设计要求。 5、针对砌体带裂缝工作状态的有限元建模及分析 鉴于砂浆及砌块材料之间工作机理的特殊性,提出应用等效体积单元(RVE)进行空间砌体结构有限元建模及非线性分析的方法,并结合反演理论进行了砌体结构模型的优化更新方法研究。结果表明采用等效体积单元能够有效地模拟砌体材料特性。同时,为了模拟砌体带裂缝工作状态,本文在保持有限元模型几何尺寸及自身重量不变的前提下,利用结构位移、抗侧移刚度及外荷载三者的内在联系,结合反演理论,把结构模型的弹性模量作为自变量,忽略优化结构的状态变量,选取结构损伤后的刚度作为目标函数,有针对性地进行了空间砌体有限元模型的优化更新研究。


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