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基于结构响应向量的桥梁结构损伤识别研究

罗旭  
【摘要】:随着大量的工程结构建成并投入使用,结构内部的损伤不断累积,如何及时地对结构的健康状况进行监测和评估,并采用相应的措施保证损伤结构的使用安全,正日益成为工程领域内的一个重要研究课题。作为结构健康监测及安全评估中最为关键的技术环节,结构的损伤识别研究有着重要的理论意义和实用价值。 国内外学者对结构损伤识别的理论和方法进行了大量的研究,发展了多种基于结构动态或者静态响应的损伤识别方法。但是因工程结构的复杂性、损伤的多样性和应用环境的不确定性等,使得现有的结构损伤识别方法难以在工程中推广使用。而随着长期健康监测系统的大量应用,使得通过选择合适的结构响应量以确定桥梁在不同时期的结构状态和损伤成为可能。本文在系统地总结了现有结构损伤识别方法的基础上,提出了一种基于结构响应状态量的结构响应向量,并以此为基础提出了基于结构响应向量的结构损伤识别思想。为此,本文就以几个方面展开探索性的研究工作: (1)提出了一种反映结构当前状态的量——结构响应向量(Structural ResponseVector, SRV)。它通过将结构在特定状态下的若干动、静态响应量组成一个向量的形式,来反映结构的当前状态。结构响应向量的优点在于它同时结合了结构的静态和动态响应,能更好地反映当前结构的状态。 (2)在引入结构响应向量SRV的基础上,为了能有效地开展SRV的代数运算,以及确保结构响应向量能有效地反映结构当前的状态,本文提出了八元数结构响应向量的概念。即以八元数理论为基础,在结构响应向量中引入7个独立元素和一个0元素,这样不仅能开展必要的多元向量的代数运算,而且由于它所包含的结构响应信息较多,因此能更好地反映结构的当前状态。 (3)在八元数结构响应向量的基础上,本文提出了一种基于结构响应向量的结构损伤识别思想。由于八元数向量是多元向量,不能在传统的欧几里德空间进行直观显示。为此,本文采用结构响应向量的重要属性———向量模和方向角,构建了结构响应向量的相平面。这样,每个结构响应向量可以映射为相平面上的一个点。对于特定的结构,从初始的无损状态开始,随着结构损伤的发展,该结构的结构响应向量将在相平面上形成一条轨迹。如果结构的损伤位置或者类型不同,结构响应向量的轨迹一般也是不同的。对于特定的工程结构,其典型的损伤类型(包括位置)不会太多,因此,可以实现通过有限元分析等手段,得到该结构的SRV随着不同类型损伤变化的多条相平面轨迹。因此,可以通过结构的长期健康监测系统或者定期的结构安全检测,得到该结构的SRV变化,这样的变化也将在相平面上表现为一条轨迹,将此轨迹和已经推导的典型损伤的轨迹对比,有望判断出结构当前的状态即拥有的损伤类型和损伤程度。从而达到对结构损伤识别的目的。 (4)以某简支梁桥为例,通过建立了损伤结构的有限元模型,求解出相应的SRV,探讨了SRV随损伤的演化特征,结果表明,随着不同类型损伤的发展,SRV在相平面上的轨迹表现出了显著的不同,这间接证明了本文提出的基于SRV相平面轨迹相似性的结构损伤识别思想的可行性。针对结构损伤的对称性问题,通过对SRV方向角进行重新定义,使得具有对称损伤的SRV在相平面上具有对称的轨迹线,成功地解决了对称性损伤的识别问题。 (5)考虑了简支梁桥多损伤的情况,根据不同的损伤发展模式,研究了结构响应向量随不同的损伤发展历程的变化规律。结果表明,对于某一特定的损伤状态,存在唯一的结构响应向量与之对应,这说明了结构响应向量能较好地反映结构的状态;对于不同的损伤发展历程则对应着不同的相轨迹,这也说明了本文的结构损伤识别思想将同样适用于多损伤的结构损伤识别问题。 (6)以某刚架拱桥为例,探讨了在假定的试验荷载作用下,结构响应向量随超静定结构典型损伤的演化特征,并考虑了结构响应向量分量对相平面轨迹的影响,总结了确定SRV分量的一些基本原则;此外,本文还考虑了在刚架拱桥的拱顶和拱脚均有损伤的情况下,结构响应向量的相轨迹随不同的损伤发展模式的演化特征,结果表明,根据SRV相轨迹的变化,能够有效地确定不同结构中不同发展模式的损伤状态。


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