基于动力特性的工程结构损伤识别技术(一)

基于动力特性的损伤识别技术是结构损伤识别的有效方法.介绍了基于动力特性的损伤识别技术研究现状,对基于结构振动响应和系统动态特性参数进行损伤识别的方法和原理进行了评述,提出了结构动力特性的损伤识别技术有待于研究的问题.     

结构动力参数的灵敏度分析

损伤一般会降低结构的刚度,增大阻尼,改变振动频率和振动模态.采用什么损伤参数更容易判断结构损伤是人们关注的热点.文中采用一个四自由度的弹簧--质量系统,通过数据计算表明以动柔度或曲率作为损伤识别参数比单独用固有频率或振型时的灵敏度高.     

基于动静力参数的结构损伤识别研究进展

基于振动的识别方法是损伤识别应用较为广泛的一种方法,而基于静力参数的识别方法较为直观,也是目前普遍使用的方法。本文综述了基于结构动静力参数的损伤识别方法研究现状,对模态参数、模型修正等方法做了一定程度的介绍,分析了各种方法的优点与不足,并展望了损伤识别的发展方向。     

基于曲率模态法桥梁结构损伤识别的敏感参数研究

敏感参数的研究对于结构基于振动的损伤识别有着重要的价值.曲率模态法的基本原理是因损伤所致的构件截面的刚度突变而凸现截面的曲率突变.但其仍存在不足,一是各阶模态反映同一损伤的情况是不同的;二是用损伤前后的曲率模态差作为敏感参数,虽可凸现其损伤部位,但须有未损伤时的模态数据,这通常无法获得.为此,文中分别提出了两个改进的敏感参数,即平均曲率模态损伤因子和即刻损伤因子.利用ANSYS软件对简支梁桥、连续梁桥的损伤识别进行了大量仿真分析,验证了所提出的敏感参数的有效性.另外,还探讨了某一单元损伤程度变化、多个单元同时有相同损伤,不同单元有不同损伤,及结构有限单元的类型和划分精度等多种工况下,采用曲率模态方法进行桥梁损伤识别问题,并进行了二维和三维的不同截面形式损伤识别的仿真分析.理论上证明了所提出的参数可作为桥梁损伤识别的敏感参数,用曲率模态方法能较好地识别出桥梁结构损伤的位置和程度.     

基于固有模态函数振动传递率的结构损伤识别

提出了无需量测外荷载的新的结构损伤识别方法,将经验模态分解应用于结构损伤识别,通过求振动响应信号固有模态函数的振动传递率,构建结构损伤识别参数;通过对预置不同开胶损伤程度的玻璃幕墙试件进行动态测试,得到不同损伤程度下玻璃幕墙的固有模态函数振动传递率,并根据振动传递率的差别来识别和评估玻璃幕墙开胶损伤程度。研究结果表明:与传统方法相比,该方法无需量测外荷载也能精确识别结构损伤,通过损伤参数值也能判断损伤大小。     

随机车辆参数行车激励对桥梁实测频率的影响研究

在以桥梁结构振动频率作为损伤识别的参考时,针对现场随机车辆参数行车激励对桥梁实测频率的干扰问题,通过建立实验室缩尺模型桥,并采用模型小车模拟现场随机车辆参数行车激励的方法,对随机车辆参数干扰实测频率的问题进行了研究。研究结果表明,随机车辆参数会干扰桥梁实测频率。通过对实测频率进行概率统计获得桥梁结构振动的统计频率的方法可以有效解决在进行损伤识别时随机车辆参数行车激励对桥梁结构实测频率的干扰问题,为真实车辆行驶条件下的桥梁动力损伤识别提供稳定可用的关键指标。     

基于试验的土木工程结构动态参数识别

结构动态参数识别是工程、特别是重大工程质量和寿命全过程监控的核心研究内容。本文基于试验基础上,直接利用环境激励下的土木工程结构振动响应数据,用时间序列法ARMA模型进行动态参数识别。首先结合有限元分析,对一个简支梁结构进行识别,数值分析对比表明：二者在动态参数识别上具有高度的一致性。此后,利用无线传感技术对厦门大学人行天桥进行环境振动测试,分析表明：ARMA模型能够在传统动态参数试验难以进行的环境下,准确有效地识别工程结构的动态参数。此方法为结构的健康损伤识别、在线监测等提供动态参数,具有一定的工程应用价值。     

基于振动的结构损伤识别研究综述

提供了结构基于振动的损伤识别现状综述,并结合国内现状总结出一般建筑的通用框架.首先介绍了损伤识别的基本原理并总结出基于振动的损伤识别对应于损伤响应、损伤定位、损伤量化以及损伤预测的一般流程.接下来按照损伤识别流程分别介绍了各个步骤的最新进展及应用方法.最后讨论了基于振动的损伤识别的研究方向.     

基于振动传递率的钢质导管架海洋平台结构损伤识别方法研究

基于振动的结构损伤识别方法在应用过程中会遇到激励信息难以获得、实测模态参数不完备以及对有限元模型的依赖等问题。为此,利用白噪声激励下的结构两点加速度响应构造振动传递率函数,通过主成份分析降低其维数,将结构损伤前、后振动传递率函数幅值的主成份变化量作为结构损伤特征向量,输入BP神经网络进行结构损伤识别,并考虑了不同程度噪声对损伤识别结果的影响。钢质海洋平台结构数值模拟和模型试验结果表明,该方法能识别出结构损伤位置并且具有一定的抗噪声能力。     

桥梁损伤识别的实用模型修正方法研究

对面向损伤识别的桥梁结构模型修正实用方法进行了研究。提出了基于振动特性测量的三步模型修正策略和综合利用通用有限元程序ANSYS的优化功能进行模型修正的方法。为了缩减待修正的参数,根据计算目标函数对每个单元参数的敏感性,进行子结构划分,通过对子结构参数的修正进行结构损伤的大致定位,然后对确定为损伤的子结构的每个单元进行参数修正,进行结构的损伤定量识别和状态评估。修正算法的优化方法采用ANSYS一阶优化方法和随机搜索方法,敏感性分析和模型修正完全基于ANSYS软件进行,较适合于实际工程的应用。为了说明方法的可行性,以某一实际三跨预应力钢筋混凝土连续箱梁桥为仿真算例,以结构模型的单元刚度衰减来模拟损伤,进行损伤识别,达到了较好的效果。     

基于曲率模态的钢筋混凝土梁多点损伤位置识别

采用曲率模态对钢筋混凝土梁的多点损伤位置进行了识别研究。首先用有限元程序建立结构模型,并计算出位移模态振型,然后用差分法计算出曲率模态;同时对实际结构进行检测,得到结构的振型并计算出曲率模态。通过有限元模型和实际结构的曲率模态计算得到结构损伤因子,通过分析该损伤因子,可以判断实际结构的损伤位置。数值模拟算例分析表明,曲率模态对结构的损伤较敏感,用该方法识别结构的多点损伤位置是行之有效的。     

采用等效平面桁架单元对钢筋混凝土结构进行非线性分析

本文根据钢筋混凝土结构构件力学性能,运用有限元的基本思想,将钢筋混凝土微元体等效成平面桁架单元对钢筋混凝土结构进行非线性分析。理论分析和计算结果表明,用此模型对钢筋混凝土结构构件平面应力问题进行分析是可行的,它能满足工程精度要求,而且在加载过程中可以很容易追踪裂缝开展顺序、裂缝位置和开裂程度,同时使计算模型简单化。     

钢筋混凝土框架结构震损定量评定方法研究

针对目前震后钢筋混凝土框架结构的损伤程度多以定性评定为主的现状,本文提出借助Pushover分析方法,并结合现有的国内外规范,通过考虑结构的层间位移、塑性铰发展、频率降低等指标的变化,对结构在地震作用下可能出现的五种破坏状态"基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏、倒塌"进行定量划分。以某8层振动台模型试验的框架结构作为工程实例进行Pushover分析,计算结构在8度基本地震作用下的反应,将分析结果与本文提出的震损定量评估综合指标相对比,得出该建筑物在不同地震作用下的破坏等级。结果表明,本文的分析结果与试验震害现象基本一致。     

钢筋砼结构震害预测

本文提出了框-剪结构震害预测方法,并使框架、框-剪和剪力墙三种结构体系的震害预测统一起来。对于框-剪体系,本文根据框架部分和剪力墙部分平均侧向刚度比值,判断两部分承担地震作用的比值,然后以地震作用下结构层间弹塑性变形值确定结构的破坏程度,同时根据结构平、立面布置和抗震构造措施的合理程度进行修正。 文中还就房屋样本选取原则、样本参数确定做了说明,并结合新规范给出结构层间屈服承载力计算方法及层间刚度简化算法。     

钢筋砼结构在主余震作用下的反应与损伤分析

本文在主震震级与余震震级的定量关系及主余震随机地震动摸型的基础上,利用人造地震波作为输入地震动,通过弹塑性地震反应时程分析,提出了钢筋砼框架结构在主余震作用下的反应和损伤分析方法,并对一座二层和一座八层的钢筋砼结构进行了具体的分析和计算,初步定量地揭示了余震作用对结构反应与损伤的影响。     

基于纤维梁模型的火灾下多层混凝土框架非线性分析

为分析和模拟多层混凝土框架结构在火灾下的反应规律及其破坏过程,基于建筑结构分析中常用的纤维梁单元,建立了钢筋混凝土梁、柱构件的火灾破坏数值模型。模型将构件截面划分成多个纤维,可以考虑构件截面的不均匀温度场分布以及材料非线性和几何非线性问题。对单层单跨混凝土框架进行火灾反应分析,并与试验结果进行比较,验证了此数值模型的准确性。通过对多层框架进行火灾反应模拟,比较不同火灾场景的模拟结果,分析其反应规律以及破坏过程。结果表明,纤维梁单元模型可以较好地模拟钢筋混凝土结构的受火破坏过程,并且火灾发生的位置不同,结构的破坏机制也不同,一定条件下蔓延的火灾比不蔓延的火灾对多层混凝土框架结构的破坏性更大。分析结果可以为实际结构的防火设计提供参考。     

Structural Monitoring System Based on Sensitivity Analysis and a Neural Network

A design procedure for a structure's monitoring system using sensitivity analysis and a neural network is developed. The monitoring system is to be used to monitor damage to members critically affecting the overall safety of structures. Recently, many techniques for evaluating the damage of isolated members and models of simple structures have been investigated. However, actual structures are large, and their complex behavior may not be based on damage of isolated members or their simple models. To monitor large structures realistically, structures' data on behavior at many points need to be monitored. Identifying the optimal locations and numbers of these monitoring points and assessing the safety of the entire structure from the limited data are the monitoring system design problem. The procedure presented for this design problem is a two-step process. In the first step, using sensitivity analysis and damage-assessment techniques, individual members are ranked according to their influence on the failure probability of the entire structure or according to their effect on the abnormal behavior of the structure. Based on the rank, critical members are identified. In the second step, sensitivity analysis and a neural network are used to determine the optimal locations. In addition, the optimal number of sensors for monitoring damage to the critical members selected in step 1 is also suggested. Truss and frame examples are used to show the validity and applicability of the monitoring system design procedure.     

钢筋混凝土压弯构件考虑阻尼耗能时的地震破坏模型研究

本文分析了钢筋混凝土结构在弹塑性地震反应过程中阻尼耗能的分布和特点。对国内外现有的几种结构地震破坏模型进行了深入的分析比较研究。在分析各种破坏模型优缺点的基础上,针对钢筋混凝土压弯构件提出了考虑了阻尼耗能影响时的地震破坏模型。     

Seismic partitioned fragility analysis for high‐rise RC chimney considering multidimensional ground motion

In order to identify the vulnerable parts and areas of the high‐rise reinforced concrete chimney, this paper presents an effective method, which called partitioned fragility analysis. One 240‐m‐high reinforced concrete chimney was selected as the practical project, and its analytical model was created with ABAQUS software. The selected high‐rise chimney structure was divided into 17 parts, and then the damage probability of each part in different damage states was obtained with the fragility analysis considering multidimensional ground motions. Twenty ground motion records were taken from the Next Generation Attenuation database as the input motions, and the peak ground acceleration was selected as the intensity measure. The response of the chimney structure under multidimensional ground motions was obtained based on incremental dynamic analysis. The maximum strains of concrete and steel bars were defined as the damage limit states of the chimney structure. The fragility curves and surfaces obtained from this analysis showed that the vulnerable areas of the chimney structure appear at 0–20 m, 90–130 m, and 150–200 m along the height of the chimney respectively. Based analytical results, these vulnerable parts can be retrofitted to enhance the seismic resistance of existing chimney structures. And the partitioned fragility analysis method can also be used to improve the design of new chimney structures.     

Use of Ritz method for damage detection of reinforced and post-tensioned concrete beams

Damage-induced changes in modal characteristics can be detected using experimental modal analysis. In this article, based on changes in natural frequency, mode shapes, and damping ratios, a methodology for detecting damage location and severity is presented. The damage was induced by application of point load at half span location on the reinforced and post-tensioned concrete beams. The load was gradually increased to obtain different crack patterns to be used in simulation of damage scenarios. Experimental modal analysis was performed on the undamaged and damaged beams. The natural frequency and mode shapes were used to determine the location of damage. The approach is developed at an element level with a conventional finite element (FE) model by Ritz method, which is called Ritz damage detection method (RDDM). The mathematical model for both damped and undamped damaged structures have been established through the eigenvalue equations. The singular value decomposition (SVD) technique is used for determination of damage or sound index. These indexes are sensitive to the change of dynamic characteristics due to damages. This approach is applied to five simply supported post-tensioned concrete beams. The numerical results show that the exact location and severity of damage for different simulated damage scenarios could be efficiency found by the present methodology.