结构损伤对刚性系杆拱桥动力特性的影响

以某下承式钢管砼系杆拱桥为实例,应用Midas/Civil软件建立了空间有限元计算模型,研究了横撑损伤与吊杆损伤时对其结构动力特性的影响。通过对比桥梁在完好状态和不同损伤情况下结构的动力特性,得出结论:结构损伤使刚性系杆拱桥的自振频率降低,横撑损伤使结构横向刚度降低较大,吊杆损伤对竖向刚度影响较大。横撑失效较横撑锈蚀对结构自振频率影响大,吊杆锈蚀对自振频率影响较关键位置处吊杆失效大。横撑损伤对结构振型形态影响比吊杆损伤对结构振型形态影响大。基于在不同状态下的结构动力特性分析,可为同类型桥梁在合理评价结构运营阶段的健康状况时提供参考和基础性数据。     

粒子群算法在网架结构损伤识别中的应用研究

粒子群算法作为新兴的智能优化算法,因其处理优化问题突出已逐步应用在结构损伤检测领域,基于粒子群算法,提出了网架结构损伤识别方法。首先利用模态保证准则(MAC),结合频率和振型在损伤识别中各自的优势,构造了基于频率和振型的适应度函数;其次,以两个测试函数来对比分析,说明改进的粒子群算法寻优性能更佳;最后,通过一个网架结构仿真模型算例,对所提方法的有效性进行验证。设置了3种工况进行损伤识别并对结果进行分析,结果表明基于粒子群算法的损伤识别方法能够准确识别出损伤发生的位置及程度。     

基于环境振动的高层建筑结构动力特性实测与数值模拟

高层建筑的动力特性是其自身固有的特性,一般是指其自振频率、振型及阻尼比。通过现场测试得到高层建筑的动力特性具有重要意义,既可以验证理论计算,又可以为建筑物的安全性评估及损伤识别积累基本技术资料。本文对某复杂高层建筑结构的动力特性进行了现场测试,并进行了三维有限元数值模拟。通过对实测结果和数值模拟结果进行分析,得出了该结构的自振特性,证明本文数值模拟效果良好,有足够精度。     

高层建筑结构动力特性测试实例分析

高层建筑的动力特性是其自身固有的特性,一般是指其自振频率、振型及阻尼比.通过现场测试得到高层建筑的动力特性具有重要意义,既可以验证理论计算,又可以为建筑物的安全性评估及损伤识别积累基本技术资料.而在获取高层建筑动力特性过程中,现场测试方法至关重要,现场测试数据的精确程度决定了后续工作的成果.本文对高层建筑结构动力特性的现场测试方法进行了概括、比较与分析,并以两个实例加以论证.     

基于GRNN神经网络的桁架结构损伤识别的两步法

损伤识别方法是结构健康监测系统的重要组成部分。基于广义回归神经网络(GRNN)模型,建立了结构损伤识别的两步法,构造了用于损伤定位和损伤定量的不同损伤识别组合损伤指标,并引入模态应变能系数选择节点,最后,结合典型桁架结构进行了损伤识别数值模拟研究。结果表明,即使在只获得低阶频率和少量节点一阶振型数据且含有噪声的情况下,采用构造的组合参数,GRNN神经网络对损伤位置及损伤程度识别都取得了比较理想的识别效果。     

杆系结构损伤识别新方法研究

结构损伤识别是近年来出现的一门新兴学科.从20世纪70年代到现在,人们为了寻找解决结构损伤识别问题的方法,进行了许多的研究工作,形成了很多种方法(频率法、振型法、曲率模态分析法等).但到目前为止出现的识别方法多是单一识别损伤位置或者单一识别损伤程度,而同步识别损伤位置和程度的方法还很少.文中基于结构损伤后频率进行识别的方法达到了同步识别损伤位置和程度的目的,弥补了该方面的不足.     

残损明清古建筑木结构动力特性研究

古建筑木结构在历经几百年的服役后存在不同程度的残损,显著降低了结构的受力性能。为研究残损古建筑木结构的动力特性,选取北京故宫内具有明清古建筑特征的井亭木结构为研究对象。通过现场检测,确定结构的残损类型并分析残损原因,同时,采用环境激励法进行现场动力测试,获得结构的前3阶自振频率和振型。基于实测结果并考虑材料老化、立柱倾斜和柱脚糟朽等损伤因素,分别建立结构的完好和残损有限元模型,对其进行模态分析和地震响应计算。研究结果表明:由于重屋顶和关键节点的半刚性构造特征,木结构的自振频率相对较低;材料、构件和节点的残损降低结构刚度和自振频率;在地震动作用下,残损结构的柱脚水平反力小于完好模型,而其加速度和位移响应明显大于完好结构。     

张弦拱桁架结构基于模态参数的损伤识别试验（英文）

张弦桁架结构是是由上部刚性拱桁架与下部柔性拉索通过中部撑杆组合而成的一种自平衡体系,具有受力合理、承载能力高、造型轻盈、跨度大等优点,被广泛应用到大跨钢屋盖结构中。但张弦桁架结构规模大、服役期限长,所处环境状况复杂,受到的荷载作用具有随机性,发生损伤的潜在危险性较大。此类结构一旦出现损伤会对结构的正常使用产生影响,甚至可能引起连续倒塌,因此研究张弦桁架结构在运营期的损伤识别具有重要的现实意义。但张弦梁结构中存在拉索、撑杆和桁架等不同类型杆件,受力机理更加复杂,其损伤识别与常规桥梁式结构或多高层建筑结构存在明显差异,目前针对张弦桁架结构的损伤识别尤其试验研究很少。因此,针对张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别方法开展试验研究。通过对某火车站顶棚结构进行缩尺简化,设计制作了两榀张弦桁架试验模型。两榀试验模型结构尺寸相同,模型总长6 m,矢高0. 4 m,垂度0. 4 m,上部采用倒三角立体桁架,每两个节点之间由四角锥基本单元构成,结构中部均匀布置5根对称的圆钢管撑杆,下部布置直径8 mm的钢丝绳拉索,并施加2 kN预应力;试验模型一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座,并在结构两侧设置刚架作为受压桁架侧向支撑。两榀试验模型构件截面尺寸不同,模型1相对于模型2杆件截面尺寸较小;荷载施加情况不同,模型1未施加外荷载,模型2在模型上弦杆布置质量块模拟结构正常使用状态的荷载。试验采用不同截面尺寸杆件替换正常杆件的方法来模拟结构损伤,即通过降低截面刚度的方法来模拟杆件损伤,根据杆件截面积丧失程度定义损伤程度。试验设计了弦杆单损伤、多损伤、索撑损伤等不同程度以及不同位置的损伤工况,通过动力检测获取试验各工况前三阶模态参数:采用单点拾振、多点激励的方式进行试验,即将加速度传感器安装在桁架上弦杆件的4号节点处,然后用力锤依次对1～14号节点进行锤击,每个节点锤击激励1 min,通过动态信号采集仪采集加速度信号;根据不同工况替换相应损伤杆件,依次采集加速度信号;接着利用TSTMP模态分析软件处理加速信号,获取张弦桁架每个工况的频率与振型等模态数据,以用于之后的损伤识别分析。张弦桁架结构相对复杂,杆件繁多,可能发生损伤的部位较多,单一损伤识别方法无法一次检测出结构各部分的健康状态。因此将张弦桁架结构分为上部刚性桁架与索撑体系两部分,针对各组成部分的特点,采用基于振动模态参数的组合识别方法对张弦桁架试验结果进行分析:上部刚性桁架对结构整体频率影响较小且杆件连续,运用曲率模态差和模态柔度差曲率对其进行损伤识别;下部索撑体系杆件相对独立且单元数量相对较少,通过选取正则化频率变化率建立索撑体系频率指纹库的方法对其进行损伤识别。曲率模态差是从结构各阶模态振型入手,对结构的振型进行差分得到模态曲率,再通过计算结构损伤前后曲率模态的变化得到。模态柔度差曲率是从结构的柔度矩阵入手,由损伤前后结构的各阶振型和频率共同得到结构柔度矩阵差,再对其对角元素差分得到。上部刚性桁架进行损伤识别时,根据结构损伤前后的模态数据计算绘制曲率模态差和模态柔度差曲率曲线,曲线突变最大处判定为桁架杆件损伤位置。正则化频率变化率是从结构各阶频率入手,计算结构损伤前后的频率变化率并对其正则化得到。由于其仅是损伤位置的函数,与损伤程度无关,因此建立频率指纹库时仅需考虑每个构件的一种损伤工况,减小了样本量。索撑体系进行损伤识别时,首先建立索撑体系频率指纹库,即预先假定各种损伤工况并依据结构理论模型进行有限元分析,计算得到对应的正则化频率变化率,从而建立频率指纹库;再由实测得到的结构固有频率,计算某工况下的正则化频率变化率指标,与频率指纹库进行对比,两者最接近处判定为索撑体系损伤位置。采用张弦桁架的组合损伤识别方法分析试验数据,结果表明:1)基于前三阶频率的正则化频率变化率指标可以有效识别索撑体系的损伤。但由于索撑单元均具有对称性,因此正则化频率变化率指标无法判断对称单元的损伤情况,需要进一步验证。2)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均能够较好地识别上部刚性桁架结构的单损伤和多损伤,但其对不同位置杆件的损伤识别效果略有不同。由于下弦杆直接与撑杆相连,受撑杆影响较上弦杆大,因此曲率模态差法和模态柔度差曲率法对上弦杆的识别效果优于下弦杆。3)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均可以通过曲线定性判断上部刚性桁架杆件的损伤程度,损伤程度越大,曲线突变程度也越大。另外,越高阶曲线突变程度差距越小,因此应利用低阶模态数据定性判断损伤程度。4)与曲率模态差法相比,模态柔度差曲率曲线在非损伤位置突变小,曲线更稳定,受非损伤位置的干扰较少,识别效果更好。基于越多阶模态数据获得的模态柔度差曲率,其曲线在损伤位置发生的突变越明显,且基于前三阶模态数据得到的模态柔度差曲率完全可以满足损伤识别的精度要求。另外,越高阶振型数据得到的曲率模态差曲线突变越大,但其受干扰也越大,一般运用前两阶曲率模态差曲线可以得到较好的损伤识别效果。     

模块式加筋土挡墙震后健康状态识别研究

采用时域识别方法分析了加筋土挡墙大型振动台模型试验在不同工况下动力特性（自振频率和阻尼比）分布规律,介绍了加筋土挡墙不同位置处动力特性的变化特征,阐述了不同损伤程度下加筋土挡墙动力特性分布规律,探究了动力特性变化幅值与加筋土挡墙损伤程度的定量关系。结果表明：加载阶段前期,加筋土挡墙各位置处的自振频率基本相同,阻尼比随着墙高的上升而减小;加载后期,挡墙自振频率明显下降、阻尼比大幅上升。采用数理方法获得了单级挡墙自振频率和阻尼比的分布曲线,得出了基本完好、轻微破坏、中等破坏和毁坏4个阶段自振频率和阻尼比变化幅度;当自振频率下降幅度为6.75%～16.43%,阻尼比上升幅度106.14%～243.09%时,可认为加筋土挡墙处于中等破坏阶段;当自振频率下降幅度为16.43%～31.59%、阻尼比上升幅度243.09%～462.04%时,可认为加筋土挡墙处于毁坏阶段。     

基于振型差与小波变换的结构损伤识别方法

对基于小波变换的结构损伤识别方法进行了研究,推导了小波变换理论,提出了基于一阶振型差与小波变换相结合的损伤识别方法。以结构损伤前后的一阶振型差作为原始信号,进行小波变换,通过小波变换系数的峰值来判断损伤位置。通过简支梁算例设定3种工况验证了这一方法的有效性,结果表明:采用该方法能够准确的识别出文中梁结构发生损伤的位置,新方法较仅采用损伤后结构的振型作为原始信号更加有效。     

基于RBF神经网络的网架结构损伤识别试验研究

针对网架结构损伤识别中模态密集、自由度高等困难,利用RBF网络良好的容错性和鲁棒性,依据损伤前后的网架结构模态参数发生变化理论,提出了基于模态参数和RBF神经网络的网架结构损伤识别方法。以一个6 m×7.5 m的正放四角锥网架结构为研究对象,首先依据连续倒塌理论计算各杆件的重要性系数,确定模拟损伤杆件位置;然后以损伤前后结构的标准化频率平方变化率及标准化位移振型的组合参数作为RBF神经网络的损伤指标,利用有限元分析得到学习样本,试验分析结果作为测试样本。采用二阶段损伤识别方法,首先在所有杆件中排查出可疑受损杆件位置,最后再精确识别损伤位置和程度。结果表明,该方法能够很好地识别网架结构的损伤位置和程度。     

基于ARMAX模型和稀疏正则化的结构损伤识别方法

结构健康监测系统对于保障工程结构安全具有重要意义,而结构损伤识别方法是结构健康监测系统的关键组成部分。本文提出一种基于时间序列ARMAX模型和稀疏正则化的结构损伤识别方法。首先,建立与结构运动方程对应的ARMAX模型,并利用模型自回归系数提取结构的固有频率和振型;然后,将提取的结构模态参数作为损伤敏感特征,构建损伤识别求解方程;最后,结合结构损伤的稀疏特性,使用稀疏正则化算法对方程进行求解,由解向量中的非零元素可得结构损伤的位置和程度。进行了一个六层集中质量剪切结构试验,试验结果表明该方法可以准确识别出结构中损伤的位置和程度,与传统损伤识别方法相比,该方法有效提高了损伤识别的精度。     

基于试验测量的高层结构整体抗震损伤评估

结构的损伤模型可以从材料、构件和整体三个层次研究。整体结构损伤模型主要以结构整体为研究对象,从结构的整体反应参数变化研究结构整体性能的变化规律,并对在地震作用下结构的损伤、抗震性能进行分析。结构损伤时物理参数的变化,必将引起动力参数的变化。因此可以通过动力测试来捕捉结构动力参数的变化,如:结构损伤前后固有频率、模态振型和阻尼的变化,可以进行结构损伤诊断。结合在同济大学土木工程防灾国家重点实验室做过的几十个模拟地震振动台试验测试结果,统计和总结地震作用下高层建筑结构自振频率与阻尼比的变化规律,提出了一种新的损伤模型与损伤指标。该损伤模型综合考虑了高阶振型、振型参与系数、结构自振频率、阻尼比等影响因素。最后,用该损伤模型和损伤指标对其中3个典型的高层建筑结构模型模拟地震振动台试验数据进行验证,结果表明:该损伤模型与试验现象基本吻合。可对既有工程结构快速准确地进行动力损伤识别与评估。     

振型平方差法判断结构损伤位置

针对振型是判断建筑物动力特性的主要参数,采用振型平方差法对结构的损伤进行定位,并就结构损伤对频率及振型的影响进行分析,找出结构损伤与动力特性参数间的关系,从而为判断结构损伤位置提供了参考.     

基于模态灵敏度分析的框架结构损伤识别:灵敏度分析

结构损伤识别是开发结构安全监测系统中的一个重要课题。由于结构频率容易测试并且有较高的测量精度,因此成为损伤识别中广泛应用的模态参数。基于模态频率的灵敏度分析,提出了一种基于结构损伤前后频率变化测量的损伤参数识别方法,用于确定结构的损伤位置和损伤程度。     

基于频率的网架结构损伤识别模糊系统研究

鉴于频率变化平方比仅是与损伤位置有关的量,利用基于频率变化平方比损伤识别方法不能识别网架结构的损伤程度,本文提出了一种网架结构损伤识别模糊推理方法.该方法以网架结构的前6阶频率变化率作为输入变量,以杆件的损伤程度作为输出变量,通过合理的模糊推理规则使频率变化率与损伤程度建立唯一的联系.经过网架结构的数值模拟分析验证了该...     

40m单层网格折板结构的动力特性分析

针对单层网格折板结构的动力特性问题,基于通用有限元分析软件,采用子空间迭代法得出该结构自振频率,并分析了各阶振型的特点,分析结果表明:结构二十阶频率具有明显的阶跃性,低阶振型主要表现为围护结构水平方向的振动,并根据各因素对振型和频率的影响程度不同,得出了矢高、边脊线高度、环杆高度、外加质量分别对结构基频的影响大小。     

Kiewitt型弦支穹顶结构自振特性研究

弦支穹顶结构的自振特性是其本身固有的重要力学性能.运用有限元方法,基于ADINA软件建立了大跨度Kiewitt型弦支穹顶结构非线性动力特性分析的有限元模型.首先对35.4m跨度的K6型弦支穹顶结构进行了自振性能分析,得出结构前15阶自振频率及振型,由于弦支穹顶结构的对称性,其前15阶自振频率数值密集且变化均匀,说明结构的刚度分布均匀合理;前两阶振型水平与竖向振动同时存在,后几阶以竖向振动为主.着重针对环索预应力、撑杆长度、杆件截面、矢跨比四个因素对自振频率的影响进行了分析,拉索预应力及杆件截面对自振频率的影响非常小,矢跨比是影响自振性能最敏感的因素.     

基于固有模态函数(IMF)的钢框架节点损伤信号分析

在地震等反复荷载作用下,钢结构节点易发生脆性断裂,且由此导致的结构破坏在钢结构事故中的频率很高。通过对一钢框架模型的动力响应信号进行希尔伯特-黄变换处理,结构选取不同程度单节点、双节点和三节点的损伤工况,利用MATLAB程序对钢结构节点损伤信号进行经验模态分解(EMD)并导出各阶固有模态函数分量,以瞬时频率拟合值作为损伤识别指标,分析对比结构不同位置损伤信号。     

径向基函数神经网络在桥梁结构损伤识别中的应用

鉴于新旧桥梁在日常运营中缺乏连续、实时的损伤情况分析,基于桥梁结构损伤识别与机器学习中的径向基函数理论,提出了2种损伤识别方法.一是分步识别法,运用频率的变式识别损伤位置,曲率、频率组合输入识别损伤程度,得到了88％以上的位置识别正确率与92％以上的程度识别正确率,适用于对准确率要求较高的结构损伤识别.二是综合识别法,...