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结构健康诊断新方法研究

裴强  
【摘要】:随着经济的发展和人们生活水平的提高,人们越来越重视各种建筑结构以及生命线工程结构在它们的使用寿命之内的安全性。因此定期监测这些结构在长期超负荷运作和不利荷载作用下的安全性以及在重大自然灾害(比如地震)发生后立即评估结构的安全状况已经成为现代社会公众和政府关心的重要课题。至今为止,结构损伤探测和定位的方法举不胜举,主要可以分为基于无损探伤的局部方法和基于振动信号的全局方法。然而除了局部方法要使用昂贵的无损探伤仪器和必须事先知道损伤区域以外,全局方法仍然要用结构当前信息与原始信息进行对比,以此确定结构是否发生损伤,这无疑会由损伤前后结构信息不在同一噪声水平而带来误差甚至错误。为此本文做了以下几方面的工作: 1.结构健康基准的定义及建立 建立了基于对称原则的结构健康诊断基准。在结构设计中,通常对称原则被广泛使用,对于在几何上具有对称性的结构,其对称位置上的构件在都是完好的状态下应该表现出对称的动力特性(比如频率、阻尼和振型),因此如果其中某个杆件发生了损伤,则会改变该杆件的动力特性,而与其对称没有发生损伤杆件的动力特性保持完好时不变。这样对称杆件在其中一根发生损伤时所表现出来的动力特性之间就会有所差别,通常是频率较低的一根杆件发生了损伤,因为损伤会使杆件的刚度降低而由此引起的质量减少通常可以忽略。该健康基准是不依赖于结构原始信息,仅用结构当前信息就能识别和定位损伤的健康基准,这不仅减少了由于原始结构信息不全或者得到原始结构信息的环境状况与当前环境状况之间的差别所导致的误差,而且大大提高了损伤定位的精度。 2.结构健康诊断基准的实验验证 为了验证基于对称原则的结构健康基准,设计并制作了钢桁架桥梁模型。取一对下弦杆,在其中一根杆上锯开不同深度的切口,然后测量这对对称杆件在脉冲激励下的应变响应、局部加速度响应以及模型结构的整体加速度响应,对测量到的加速度响应分别作Fourier 谱分析和传递函数得到不同损伤程度下对称杆件的局部振动频率和模型的整体振动频率,发现对称杆件中没有切口杆件的局振动频率始终不变而有切口杆件的局部振动频率随着切口深度的增加而降低,以此可以推断该杆件中存在损伤。除此之外,随着切口深度的增加桁架整体振动频率几乎不发生改变,这说明仅仅用结构的整体振动频率很难识别结构中的局部微小损伤。试验结果表明,用基于对称原则的结构健康诊断基准进行损伤定位是可行的。


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