桁架结构损伤预测方法初探

综合运用模态曲率变化量与模态应变能变化率,提出了桁架结构损伤预测的方法。首先,应用ANSYS有限元软件建立梁式桁架的模型,分析其位移模态并模拟其损伤,并通过分析桁架上下弦的模态曲率变化量预测损伤区域。其次,计算损伤区域内杆件的模态应变能变化率,并将应变能变化率较大的杆件认定为损伤单元。数值模拟结果表明,该法可准确定位梁式桁架的损伤部位。     

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.     

大跨度空间网格结构的损伤定位

本文建立了基于模态曲率法和人工神经网络技术相结合的、适用于大跨度空间网格结构的损伤定位新方法,即首先应用模态曲率法判断结构是否发生损伤并识别发生损伤的局部结构,然后对发生损伤的局部结构利用人工神经网络技术识别损伤的准确位置。通过分析和比较发现,以模态曲率为基础的损伤参数比较适合于大跨度空间网格结构的损伤定位,三种以模态曲率为基础的损伤定位参数按有效性进行排序,从低到高依次为模态曲率、模态曲率差、模态曲率变化率;针对天津奥林匹克中心体育场大跨度悬挑管桁结构进行了不同损伤状况的数值模拟,验证了所建立的损伤定位方法的适用性和有效性。研究结果表明:利用模态曲率变化率识别损伤发生的大致位置,当单榀桁架发生损伤时,识别的准确率达到100%,当多榀桁架同时发生损伤时,识别的准确率达93.7%;采用人工神经网络技术识别损伤桁架的准确损伤位置时,在无测量噪声影响下,损伤定位的准确率达到97.0%,且测量噪声对损伤定位准确率的影响很大。     

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。     

基于模态参数和支持向量机的桁架结构损伤识别研究

以桁架结构的损伤为研究对象,根据桁架结构的杆单元应变特点,建立了损伤前后振型曲率变化率和应变模态变化率对杆单元损伤的敏感性分析。同时以该变化率作为输入特征参数构造支持向量机,对杆单元的损伤进行识别,均取得了较为理想的结果。     

基于曲率模态的薄板结构的损伤定位研究

对某两端固支的板结构进行有限元建模,得到结构位移模态数据。针对不同损伤程度、不同损伤位置下的单损伤和多损伤的情况,选取结构损伤前后的曲率模态差作为损伤定位的指标,对其进行损伤定位。对于弹性薄板结构提出分别考虑节点两个方向上的曲率模态的变化损伤定位准则,综合两个方向上得到的曲率模态的变化,认为两个方向上都出现突变的单元即为损伤的单元。仿真结果显示,仅利用弹性薄板结构一阶位移模态得到的各个节点的曲率模态的变化,可以准确地定位结构损伤位置。对工程实际中的薄板结构损伤定位有很好的指导意义。     

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。     

基于结构动力参数的RBF损伤辨识方法

本文研究了基于不同结构动力参数的径向基网络损伤辨识方法,并结合简支梁损伤辨识进行了应用.研究发现:(1)径向基网络的输入参数选择对结果有较大影响;(2)使用模态曲率变化作为输入参数的网络辨识效果优于采用频率变化率的辨识效果;(3)综合使用频率变化率和模态曲率变化的网络辨识效果优于单独使用频率变化率或模态曲率的效果.结果...     

基于模态振型和神经网络方法的人防工程结构损伤诊断

随着人防工程建设规模的扩大与发展,对人防工程结构的损伤诊断及其安全性评价已成为亟待解决的重要问题。本文提出了一种基于模态振型与神经网络相结合的人防工程结构损伤诊断方法,构造了以模态振型变化率为输入的BP神经网络。以某人防工程结构为算例,用单元弹性模量E的降低模拟结构的损伤位置和损伤程度,通过给定人防工程结构不同单元不同程度的损伤,计算结构的前3阶振型变化率绝对值之和作为BP神经网络的输入,计算分析表明,利用模态振型与神经网络相结合的方法能够准确地诊断出人防工程结构的损伤位置和损伤程度,能方便、有效地解决地下人防工程结构的损伤诊断问题。     

基于比例柔度矩阵和改进模态曲率法的结构损伤定位研究

根据模态曲率法,并基于比例柔度矩阵,提出了一种利用平均柔度差的改进模态曲率法,结合某10层框架结构利用改进模态曲率法数值模拟损伤定位的结果,表明该改进模态曲率法能快捷简便解决柔度模态曲率法较难判断结构首尾单元损伤的问题,且保持模态曲率损伤定位的准确性。     

基于振动的跨海大桥桩基损伤识别

跨海大桥主墩基础常年浸没于海水中,往往难以用传统的检测方法检测基础损伤。以舟山大陆连岛工程金塘大桥的主通航孔桥为背景,建立其D3索塔的有限单元模型,以降低桩基局部单元刚度的方式模拟桩基不同位置和不同程度的损伤,对其进行预应力模态分析,并分析了水介质对桩基振动特性的影响,针对桩基前几阶振型在损伤情况下变化规律的一致性,提出了累加曲率模态变化率指标,结果表明该指标能够很好地识别跨海大桥桩基损伤位置和程度。     

基于均布荷载面变化率的桥梁损伤识别

为了利用桥梁结构的振动信息对桥梁关键部位进行损伤识别,提出以均布荷载面变化率作为损伤指标来识别桥梁损伤位置的方法。为了验证该方法有效性,采用一个简支梁有限元模型,考虑各个损伤位置与损伤程度对损伤识别的影响,将均布荷载面变化率与传统方法中的振型差和曲率模态差两个损伤指标进行了比较,数值模拟的结果表明,均布荷载面变化率的损伤新指标与振型差和曲率模态差两个传统指标相比,具有良好的损伤识别效果。     

基于曲率模态差和模态置信的钢架损伤识别研究

运用曲率模态差法和模态置信准则同时对一个空间钢架进行损伤单元位置的判定和破坏程度的识别,并对这两种方法进行比较。以空间钢架为具体研究对象,对其进行损伤识别数值模拟,再用中心差分法计算出曲率值,将损伤前后的曲率模态值相减,得到曲率模态差值;通过模态振型的改变量的多少来判别损伤情况即模态置信准则识别方法。比较结果表明模态置信准则在单元发生小程度损伤时识别不了,而曲率模态差法可以识别,并且识别的阶数多于模态置信准则。     

曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性分析

曲率模态法是针对梁式结构提出的一种损伤识别方法,其用于网壳结构损伤定位的有效性需要进行研究和证实。以一个单层球面网壳为例,对曲率模态法用于该结构的损伤定位进行数值模拟,分析网壳结构模态局部化对损伤定位效果的影响。损伤定位的判断标准为绝对曲率差最大值所对应的节点为损伤位置,指示该节点上的杆件发生了损伤。数值分析的结果表明,对于单杆件损伤,使用损伤前后密集模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很差,而使用损伤前后稀疏模态的绝对曲率差进行损伤定位,效果很好。可见,模态局部化对曲率模态法应用于网壳结构损伤定位的影响很大,因此,只有选择稀疏模态才能较好地避开模态局部化现象,在一定程度上保证曲率模态法用于网壳结构损伤定位的有效性。     

利用模态曲率差法进行弹性薄板的损伤检测

弹性薄板在工程中被广泛应用,对弹性薄板进行在役无损检测具有重要意义。本文在前人的研究基础上,以四边固支薄板为研究对象,运用ANSYS分析软件,采用改变单元弹性模量的方法模拟结构损伤,应用基于模态曲率差的损伤识别方法对板结构进行损伤检测。算例表明:在薄板的一个比较小的区域损伤的情况下,有损伤单元的模态曲率差的值变化明显,因此可以采用模态曲率差法对结构进行损伤识别并能准确判定损伤的位置。     

基于模态曲率与小波变换的网壳结构损伤识别研究

结合模态曲率与小波变换的方法对网壳结构的损伤识别进行研究。以一网壳结构的缩尺模型为例进行数值分析,假设结构35号杆件的截面出现刚度折减的轻微损伤,以模型损伤前后的模态曲率作为损伤指标进行连续小波变换,从而判断结构的损伤位置。数值分析的结果表明,利用模态曲率的小波变换系数差可以粗略定位损伤,而利用曲率模态差值的小波变换系数可以较为准确地定位损伤,且分析及数据处理过程更为简便可靠,可见基于模态曲率与小波变换的损伤识别方法对于网壳结构的损伤定位是非常有效的。     

基于LS-SVM的结构损伤识别仿真分析

使用曲率模态差和最小二乘支持向量机(LS-SVM)相结合的方法对结构进行损伤位置和损伤程度识别研究。数值算例中以钢桁架结构为研究对象,用有限元分析软件ABAQUS分别对结构的各种损伤工况进行建模和模态分析计算,然后将数据带入曲率模态公式计算出曲率模态差值,作为LS-SVM的输入参数,验证LS-SVM用于结构损伤识别的有效性。     

基于模态应变能变化率的L形管道损伤识别

为识别L形管道的局部损伤,根据局部结构的振型、刚度矩阵和固有频率,得到管道局部的模态应变能变化率指标,并利用有限元软件ABAQUS模拟不同参数模型,得到低阶模态数据以及管道各单元的模态应变能变化率。模拟结果表明：采用该损伤指标,能够较好地确定L形管道的损伤位置,并且直管单元比弯曲单元对该指标更敏感;对同一单元不同损伤程度的对比,可以反映其损伤程度的大小;对L形管道不同弯曲角度进行模拟,该指标对不同弯曲角度L形管道的损伤识别具有普遍性;对L形管道不同缺陷长度进行模拟,模态应变能变化率指标在缺陷取周向长度的1/32时达到极限。     

改进的模态曲率改变率损伤识别方法研究

研究了适用于简支梁和连续梁结构的改进的模态曲率改变率的损伤识别方法,比较了改进的模态曲率改变率法与模态曲率改变率法。对简支梁和连续梁不同损伤位置损伤程度的数值计算表明,改进的模态曲率改变率法可以准确地判断损伤位置,定性地判断同一位置处的损伤程度。     

基于小波变换的弹性地基梁的损伤识别

把曲率模态识别结构损伤的方法和小波变换识别损伤的方法相结合,提出了一种基于小波分析的识别结构损伤的方法。利用bior1.1小波函数对结构的曲率模态进行小波变换,识别出结构的损伤。最后通过数值模拟一损伤的弹性地基梁,验证了该方法的有效性,该方法对工程结构损伤识别具有参考价值。