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基于频率变化与单元矩阵摄动理论的结构损伤识别方法研究

杜思义  
【摘要】:利用结构动力特性的变化识别结构损伤是一种简便、快捷的方法,国内外科技工作者在这方面开展了卓有成效的研究工作,提出很多根据结构模态参数变化(主要是模态振型)识别损伤的方法,这些方法受测量噪声、测试不完备、模型误差及激励源的不确定性等因素影响较大,实际应用还有一定的困难。为了实用的目的,本文根据目前的试验条件和测试水平提出了基于频率变化与结构单元矩阵摄动理论的损伤识别方法,并对其基本理论、数学模型、算法和应用进行了系统地研究。 由摄动理论和结构振动理论相结合建立了结构单元矩阵摄动理论,由单元矩阵摄动理论建立了基于频率变化的模型修正与损伤识别的数学模型。根据数学模型与损伤识别的特点,提出了损伤识别的3种算法:优化算法和筛选法以及联合筛选算法。最后,将该方法应用到工程实际与结构健康监测的BENCHMARK问题的识别中,验证了该方法的有效性。 本文的主要研究成果和结论如下: 1、提出了损伤识别单元模型的概念,并定义了基于损伤识别单元的损伤识别参数。 2、将矩阵摄动理论与结构振动理论相结合导出了动力特征值问题的一、二阶摄动方程及相应的一、二阶摄动的计算公式,并由此建立了模型修正和损伤识别的数学模型。 3、根据损伤识别的数学方程,总结归纳了4种优化算法,并结合损伤识别的特点,提出了识别损伤的筛选法以及损伤识别的联合筛选算法,与优化方法相比,筛选法识别精度更高,定位更准确。 4、将单元矩阵摄动理论应用于大型结构的模型修正,成功修正了国内首座刚性混凝土自锚式悬索桥的计算模型,在修正过程中,根据该桥的结构特点,提出了考虑初应力影响的模态计算方法,并利用杆梁复合模型模拟了刚性吊杆在不同施工阶段不同的受力情况,使模态分析结果和测试结果更加接近。 5、将基于频率变化与单元矩阵摄动理论的损伤识别方法应用于基桩检测中,解决了目前基桩检测中不能定量识别缺陷的问题。并将其应用到国际结构健康监测工作组提出的BENCHMARK问题的识别中,检验和比较了该方法的优缺点。该方


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