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基于多模态参数融合的钢筋混凝土梁损伤识别研究

吴加权  
【摘要】:桥梁结构在建成投入运营期间,随着使用年限的推移,不可避免的会产生各种损伤。桥梁结构损伤的存在为道路交通正常运营埋下了重要的安全隐患。桥梁结构的损伤识别问题一直是国内外众多科研工作者需要研究和解决的一个热点问题。通过监测桥梁结构模态特性参数的变化,可以及时发现损伤。本文主要基于工程振动理论和试验模态分析理论,通过数值模拟和实验研究相结合的方法,以公路桥梁中最主要的结构形式——梁式结构为研究对象,开展可贴近工程实际检测需求的钢筋混凝土桥梁结构损伤识别原理和损伤识别方法研究。本文的主要研究工作和研究成果如下:1.研究了基于应变响应直接获取应变模态的结构损伤识别方法。该方法通过对应变响应原始数据信息的分析,由应变响应幅值及相位信息直接确定结构的应变模态,具有模态实验过程简单和计算工作量较小的优点。(1)文中通过完好简支钢梁位移模态和应变模态参数识别的实验结果对比表明,频率、振型、阻尼等模态参数可以直接由应变响应信息来获取,该方法可用于结构应变模态参数的识别。(2)通过双重预置损伤简支钢梁的应变模态实验损伤识别结果表明:结构固有模态频率对损伤不敏感;应变模态振型在简支钢梁实验试件的非振型节点损伤位置均发生了突变,且突变量随损伤程度的增大而增大,可以准确识别预设损伤位置;单一材料结构应变模态振型突变与损伤量基本呈线性变化关系。基于应变响应直接获取应变模态的损伤识别方法可用于结构损伤识别。2.采用有限元数值模拟建立了预损伤钢筋混凝土梁有限元型,研究了钢筋混凝土梁在不同损伤状况下对应频率、位移模态、曲率模态、应变模态等模态参数间的内在联系和相互影响机制;研究了各模态参数对结构损伤的敏感性,及其随不同结构损伤程度的一般变化规律。结果表明:钢筋混凝土梁的固有频率、位移模态对损伤不敏感,整体性固有频率随着结构损伤量的增大呈减小的趋势;钢筋混凝土梁的曲率模态和应变模态对结构损伤非常敏感,在非振型节点损伤位置均产生了剧烈的突变,准确识别出了预设损伤位置和损伤量的不同;在结构损伤量相同的情况下,高阶曲率模态和应变模态振型幅值突变远大于低阶模态,对结构损伤更敏感。3.研究了环境激励下基于频域分解的预损伤钢筋混凝土梁模态参数识别和损伤识别。通过与有限元数值模拟的研究结果对比表明,基于频域分解的结构模态参数识别法可以在激励输入为一非平直谱的情况下有效识别出钢筋混凝土梁的位移模态参数,该方法可用于环境激励下钢筋混凝土桥梁结构的模态参数识别。4.开展了基于频域分解和应变模态相结合的结构模态参数识别及损伤识别研究。(1)通过随机激励下完好钢筋混凝土梁应变模态参数的识别结果表明,基于频域分解的应变模态参数识别方法可以在强噪声背景下较好地识别出钢筋混凝土梁的应变模态参数,该方法可用于环境激励下钢筋混凝土桥梁结构的应变模态参数识别。(2)通过随机激励预损伤钢筋混凝土梁的损伤识别研究结果表明:应变模态振型在非振型结点损伤位置均发生了明显的突变,据此可准确识别出预设损伤位置;在损伤量相同的情况下,高阶应变模态振型对钢筋混凝土梁的结构损伤更敏感;钢筋混凝土梁的损伤量与应变模态振型突变之间存在一定的线性关系。5.建立了应变模态突变系数与结构损伤程度之间的关系。通过双重预损伤钢梁和预损伤钢筋混凝土梁的损伤识别研究均表明,结构损伤程度与应变模态振型突变之间存在一定的线性关系。在开展实际桥梁工程结构损伤识别时,若事先制定好结构损伤评判准则,则可依据应变模态振型突变来判定出结构的损伤程度。本文研究结果不仅能够实现结构损伤位置的确定,同时能够实现结构损伤程度评估,对实际钢筋混凝土桥梁结构的损伤识别具有一定的指导意义,对合理分析和评估钢筋混凝土桥梁结构健康状况,避免灾难性重大交通事故的发生具有重要的应用价值。


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