无背索斜拉桥主梁损伤识别研究

基于动力测试方法,采用模态应变能理论对无背索斜拉桥进行了主梁损伤识别研究,得到能用于钢混叠合梁结构损伤的识别指标,假定结构存在不同位置和不同程度的损伤,运用数值模拟计算结果,得到主梁损伤前后的前5阶模态,选取损伤凸显效果最好的第3阶模态进行损伤分析,计算各单元的损伤指标,数值模拟结果表明,损伤指标在损伤单元处的数值是最大的,可以准确的判断损伤的位置和程度。     

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。     

基于应变模态差的索桁架-索网结构损伤识别

应变模态差法多用于刚性结构的损伤识别,而较少用于柔性结构。索桁架-索网结构是柔性组合结构,该结构通过预应力索提供刚度,结构损伤的主要因素是索的损伤和预应力损失。基于有限元模态分析提取结构损伤前后的应变模态差作为损伤识别指标,应用应变模态差法对索桁架-索网结构进行计算分析。结果表明:索单元发生损伤后,通过应变模态差能够准确地识别索不同位置的损伤,同时对小损伤(损伤程度10%)较敏感;得出应变模态差与损伤程度的关系曲线,该曲线在不同工况下能够很好地判断索单元损伤程度;利用应变模态差能够识别出索的预应力损失的位置,并可大致判断损失程度;验证应变模态差损伤识别方法可以较好地用于索桁架-索网结构的损伤识别。     

简支梁损伤识别的曲率变化率法

在曲率模态理论的基础上,引进了曲率变化率的概念,运用有限元分析软件ANSYS得到的结构位移模态分析数据,针对具有不同损伤状况的简支梁进行了结构的曲率模态变化率分析。研究结果表明,此方法能很好地识别出单个单元损伤和多个单元的损伤位置,还能够定性地分析出其损伤程度。     

基于单元应变模态差的网架结构损伤诊断研究

对具有一定程度损伤的网架结构来说,常规的结构有限元分析或实验模态分析得到的位移模态和频率难以有效地反映结构的损伤状况。为了提高诊断效率与诊断结果的可靠性,根据空间杆系结构的受力特点,利用两节点空间铰接杆单元有限元法,由节点位移模态推导出单元应变模态,提出采用结构损伤前后的单元应变模态差作为网架结构损伤定位的识别指标,并以损伤单元应变模态的差值大小确定损伤程度。通过对一个典型网架结构的数值模拟研究表明:该方法能够在低阶模态条件下,有效识别网架结构不同位置和程度的局部损伤;且在一定噪声水平下具有较强的鲁棒性,适用于实际观测条件下的网架结构损伤定位。     

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。     

单元模态应变能变化率对框架结构的损伤诊断

对具有一定程度损伤的框架结构来说,模态位移动力检测指标难以有效地反映结构的损伤状况。为了提高诊断效率和诊断结果的可靠性,采用结构损伤的单元模态应变能变化率方法构造框架结构损伤定位的识别指标。通过对一个典型框架结构的数值模拟研究表明:该方法仅需低阶模态参数,无论是单一位置损伤、对称部位损伤、轻微损伤,还是多种损伤共存,均具有损伤定位的能力;且在一定噪声水平下具有较强的抗噪能力。给出根据损伤单元模态应变能变化率值的大小,确定损伤程度的实用方法。     

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。     

基于斜率模态的统一化损伤识别指标研究

提出了一种基于规则结构第一阶频率斜率模态的梁式结构损伤定位与程度识别方法.分析比较了第一阶位移模态及其斜率模态对于结构系统参数的敏感性.结合有限元模型,形成一系列以斜率模态为基础得到的统一化损伤识别指标(UDI),以该指标表现出的损伤状态在不同损伤工况下对于任意楼层损伤程度都具有稳定性,这样就避免了大型损伤特征矩阵的计算.使用UDI指标对一剪切型梁在单损伤与几种多损伤工况下进行了损伤识别与定位,并且分析实际结构与数值模型系统参数存在误差的情况下的识别效果.还考虑了减少测点布置后的损伤识别效果,且对识别误差的原因进行了分析.研究结果表明:基于第一频率斜率模态的UDI指标在具有近似数值模型的条件下,能够确定损伤位置并且可以较精确地估计损伤程度,而且识别速度快.     

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.     

基于曲率模态曲线变化的桥梁损伤识别

针对传统损伤识别方法仅能对损伤位置进行确定,对于损伤程度识别效果较差的问题,根据桥梁出现损伤会使曲率模态曲线产生畸变这一特点,提出一种基于曲率模态曲线变化的损伤识别方法。以曲率模态参数指标为基础,对桥梁损伤前后其曲率模态曲线的变化进行研究。采用多项式拟合和BP神经网络拟合技术,根据桥梁受损后其曲率模态曲线畸变面积的大小来反向拟合出现损伤的位置和损伤程度。以一座简支桥为例,对其设定单损伤和多损伤工况进行研究分析,根据曲率模态曲线畸变产生的部位确定结构损伤的位置,并根据曲率模态曲线的畸变大小来拟合桥梁损伤的程度。结果表明:对于实际工程中经常出现的小损伤工况,该方法识别效果较好,可用于实际工程结构的监测。     

基于单元相对刚度系数的结构损伤识别研究

提出了一种基于单元相对刚度的结构损伤识别方法。该方法以结构刚度变化率为损伤指标,定义结构的相对刚度系数,利用特征方程,通过矩阵变换得到结构损伤指标的相对刚度系数表达式,采用快速傅里叶FFT与贝叶斯相结合的方法(Fast Bayesian FFT)识别结构的模态参数,计算相对刚度系数,进而得到结构的损伤指标,便同时得到结构的损伤程度和损伤位置。利用Simulink模拟结构响应,识别结构模态参数,计算损伤指标判断结构损伤。结果表明,基于单元相对刚度系数的方法能利用较少的模态参数,实现单损伤和多损伤的定位和损伤程度识别,具有一定的抗噪能力,且精度较高。     

木梁基于曲率模态技术的损伤识别

利用有限元分析软件建立了木梁的损伤模型,获取了不同损伤参数的曲率模态;基于结构动力学中梁自由振动的理论,推导了木梁基于曲率模态的损伤程度判定理论;对人工模拟的损伤木梁进行了模态试验.结果 表明:曲率模态对损伤识别非常敏感,损伤位置可通过曲率模态图的突变判定,损伤程度可以根据突变程度判定;模态分析试验结果与有限元分析结果吻合较好;有限元算例和模态试验验证了损伤程度判定理论公式的适用性,采用曲率模态技术对木梁进行损伤检测是有效可行的.     

基于能量法的简支钢梁损伤识别试验及有限元分析

针对目前梁式结构损伤识别中识别精度和实际应用方面存在的不足,以能量耗散理论为基础,对简支工字形钢梁的损伤识别进行了数值分析及试验研究。通过结构损伤时每一单元的模态应变能耗散率与损伤前、后模态应变能变化之间的关系,推导出单元损伤变量的表达形式。研究结果表明:单元损伤变量只需要利用结构损伤前、后的模态振型即可算得,在实际应用中可通过模态扩阶技术解决实测自由度与理论自由度不匹配问题;该方法可准确识别出简支钢梁损伤单元的位置,并在一定程度上表征损伤程度。     

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。     

基于响应面模型修正的桥梁结构损伤识别方法

及时、准确地发现桥梁结构的早期损伤,避免桥梁结构的突然破坏或倒塌,无疑具有重要的理论意义和重大的社会经济效益。文章提出基于响应面模型修正技术和单元模态应变能损伤指标的结构损伤识别方法,通过简支梁室内模型试验来检验方法的有效性,进而以下白石大桥为背景,通过数值模拟方法基于响应面模型修正和单元模态应变能指标进行下白石大桥支座损伤识别。结果表明:单元模态应变能损伤指标对开裂损伤和支座损伤具有较好的敏感性,可识别出多损伤位置和损伤程度,具有应用到实际工程结构进行损伤识别的潜力。     

基于模态应变能和小波分析方法的网壳结构损伤识别研究

工程结构损伤的识别与定位研究以往主要针对梁、框架等结构形式.损伤表现为信号局部特征的改变,而小波分析在时域和频域上都具有表征信号局部特征的能力.为提高结构损伤识别方法的准确性和适用性,将小波分析引入到网壳结构损伤识别中.根据小波奇异性检测理论,提出将模态应变能和小波变换相结合的方法对网壳结构进行定位,即以结构损伤前后单元模态应变能差作为结构损伤指标,对其分别进行bior6.8连续和离散小波变换,利用小波系数极大值点判断网壳结构有无损伤和损伤位置.以跨度40m的Kiewitt网壳结构为例进行数值模拟,结果表明:基于模态应变能和小波变换相结合的方法,在测得一阶模态下,不但对单一损伤而且对多损伤均能有效地识别出结构的损伤位置,证明该方法对此类结构损伤定位具有有效性和实用性.     

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。     

梁结构基于曲率模态的损伤定量识别

基于曲率模态的损伤检测方法易于辨识损伤位置和定性反映损伤程度,但确定损伤程度的简单计算式很少。为解决此问题,文中通过引入均匀试验构造了单处损伤结构样本,回归分析其曲率模态变化值和损伤位置与程度之间的响应关系,得到了损伤程度识别的计算式。通过算例表明该方法对于损伤程度的识别具有较高精度。     

大型油罐罐壁损伤识别研究

为了研究大型油罐罐壁结构的损伤识别,以西岸油罐艺术中心中实际油罐为例,讨论了基于模态曲率差的方法对不同损伤工况的损伤识别效果。通过ANSYS有限元软件建立足尺模型并得到罐壁径向模态振型,计算得到周向模态曲率和轴向模态曲率来识别损伤。研究表明:采用轴向模态曲率能够精确识别单处损伤和多处损伤位置,而且损伤位置越靠近顶部越容易被检测。因此,对于油罐罐壁的损伤程度识别,不能仅仅比较轴向模态曲率值的突变程度,需要结合损伤位置综合考虑。