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基于灵敏度分析的结构动力模型修正及损伤识别研究

董小军  
【摘要】: 基于由动力实测结果识别的模态参数,利用有限元模型修正技术,修正初始有限元模型,可以充分发挥理论建模和实验建模的优点。经过修正后的有限元模型能够更准确地反应结构的动力特性、更可靠地预测结构的动力响应,同时还可以结合实测结果对结构进行损伤识别和状态评估。因此结构模型修正及其损伤识别技术成为土木工程领域的一个前沿研究热点。 对建筑结构进行动力响应预测、振动控制和结构状态评估及健康监测,首先必需详细了解结构的动力特性。结构的动力特性和结构参数直接相关,这些模态特性可以通过有限元分析得到其理论值,也可以由实验模态分析得到其实测值。结构损伤的存在将引起相应动力特性的改变,结构动力特性的实测值与有限元理论值之问常常存在较大的差异,因此需要解决的问题是如何修正结构的有限元模型,使得结构模态特性的理论值趋近于实测值。本文介绍了矩阵优化修正法、子矩阵修正法、基于敏感性分析的矩阵修正法、基于频响函数的有限元模型修正法及设计参数型法等几种有限元模型修正方法,并对各种修正方法的优点做了简单阐述。由于设计参数型修正法具有物理意义明显的特点,因此本文选择这一方法,对利用该方法进行模型修正及损伤识别进行了深入的研究。 本文的工程背景为某钢筋混凝土空腹桁架拱渡槽的现场动力实测数据,对该渡槽的模型修正表明,修正后的有限元模型能更好地反映结构的动力特性,为更准确地预测结构的动力响应、更可靠地评估结构状态奠定基础。本文的试验背景为同济大学土木工程防灾国家重点实验室完成的12层钢筋混凝土框架模型振动台试验数据。以该框架模型结构为对象,首先利用大型通用软件ANSYS对结构进行模态分析,提取前八阶振型及频率,然后针对有限元分析所得的理论频率与实测频率的差异,运用基于灵敏度分析的设计参数型模型修正法对结构进行修正,确立结构的基准有限元模型。最后,以结构模态频率变化量模拟损伤信息,以模型修正过程中弹性模量变化量作为损伤标识量,对结构进行损伤识别。本文假定一个构件和两个构件弹性模量的降低来模拟结构相应的单损伤及多损伤,用有限元分析相应工况下结构的模态频率作为结构损伤后的实测频率,以基准有限元模型为标准,对模拟损伤后的结构进行修正,可以得到弹性模量变化量,再与实际假定的构件损伤程度作比较,以验证模型修正方法在结构损伤识别中应用的可行性。最后,初步用一实际试验工况数据,对模型结构在该工况下的损伤进行了识别,并与试验现象进行了对比。损伤识别结果与实际损伤形式吻合,但不能确定构件损伤的具体位置。 本文研究结果表明,基于灵敏度分析的设计参数型模型修正法对结构进行模型修正时,收敛速度快、修正效率高;对结构进行损伤识别效果好,尤其对参数灵敏度高的构件识别精度更高。


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