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基于动力特性的空间网格结构状态评估方法及检测系统研究

沈雁彬  
【摘要】: 当前,我国的大跨度空间结构建设达到一个空前发展的高潮时期,其建筑数量和规模都是历史上前所未有。大量新材料、新技术已获得广泛应用,且结构形式复杂、新颖、丰富、多样,大跨度空间结构已成为一个国家建筑科学技术水平的标志。这类大跨度空间结构通常运用于体育场馆、机场候机楼、会展中心、影剧院等公共服务设施的建筑,是人员聚集、大型活动的场所,因此结构的安全性显得尤为重要。由于设计、施工及使用维护过程中出现的种种原因,使结构存在着安全隐患,国内外大跨度空间结构建筑发生事故的报道屡见不鲜。从调查结果的情况来看,由于设计条件与实际不符、施工不当等原因造成的安全隐患占有很大的比重,因此对结构竣工以后的质量安全验收显得尤为重要。目前我国的网架与网壳质量安全验收规范,主要针对一些结构局部的参量如焊缝、螺栓拧入,结构挠度等指标进行静态测评与验收,一些重要指标如结构实际荷载、实际约束刚度大小往往得不到确切的测评。通常,结构的动态响应比静态响应包含更多的信息,因而也更能反映结构当前的工作状态特性。本文的研究内容正是基于这一点,通过对结构动态测试方法的研究并针对性地开发相应的检测设备,以完善大跨度空间结构工程质量安全验收的规范与手段。本文研究成果对空间结构建筑在服役期间的安全性测评、诊断以及各种灾害影响下的损伤预测、识别与预警研究,具有一定的学术价值与指导作用。 论文根据近年来国内外在土木工程健康检测及状态评估方面的研究与应用现状,结合空间结构的形式特点,主要作了如下几方面的工作。 1.分别从理论、数值模拟及试验的角度来分析空间网格结构屋面均布荷载的改变对结构动力特性的影响关系。研究发现,屋面均布荷载的改变对结构前几阶振型及频率的影响基本一致,即各阶振型频率近似按相同比例增加或减小,不发生模态跃迁现象。 2.分别从理论、数值模拟及试验的角度来分析空间网格结构水平约束刚度的改变对结构动力特性的影响关系。研究表明,水平约束刚度的改变对结构不同振型的频率影响率并不相同,与约束刚度改变方向相同方向占主导的振型频率影响程度较大,其它方向占主导的振型频率影响程度则相对较小,因此,对于振型密集的空间网格结构而言,很容易发生模态跃迁现象。 3.根据屋面均布荷载与水平约束刚度对空间结构动力特性影响规律的不同,提出一种结合结构前几阶振型频率变化量与变化率的方法,以识别结构整体荷载与约束刚度水平,从而对结构竣工验收期间及使用状态期间的安全性评估提供依据。 4.通过模型试验,在应用传统动态测试系统的基础上,结合空间结构本身的特性,提出适用于大跨度空间结构动力测试要求的新型传感系统的思路与方法,并针对无线类传感设备系列进行了系统的研究与开发。 5.从设计的小型化、低功耗、低成本、高可靠性角度出发,对相关电子器件进行比较、分析、选择。在此基础上,采用模块化设计方法,对无线加速度传感器的传感处理、微处理、无线收发以及能源模块进行设计、调试,进而集成了基于数字接口的无线加速度传感器。集成后的无线加速度传感器具有很好的功能模块性、能耗高效性、测量精确性、配置灵活性及网络拓展性,可基本满足土木工程结构振动加速度测试的要求。 6.对无线传感节点进行嵌入式程序设计,实现无线传感网络系统的层次式组网及通信功能,网络拓扑结构为传感节点-子基站-主基站三层结构,通过主基站,无线传感器网络系统可以同Internet连接,实现远程访问;同时,按照模块化设计思路,进行无线传感系统的上层管理软件开发,并基本实现了模态分析与索力分析等若个数据后处理子模块。


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