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。     

基于振动特性的U形梁损伤识别

随着U型梁的应用越来越广泛,由于施工缺陷以及服役期间受到环境和荷载的影响,结构的敏感部位会发生不同程度的损伤。为了保障U型梁桥的运营通畅和降低维修成本,就需要对桥梁损伤部位进行准确迅速的识别定位。通过对实验室现有缩尺U形梁进行静力加载试验,同时对空载下的U形梁进行动测试验并采集信号得到损伤前后的模态参数。基于频率和振型这两个结构振动特性,以频率平方比和模态曲率差为指标对道床板损伤部位进行识别。结合有限元模拟与试验结果可知:从频率角度识别U型梁的结果不理想,但模态曲率差对其损伤位置及程度有一定识别能力。     

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。     

钢筋混凝土梁对应于各地震损伤状态的变形计算

对以受弯为主的钢筋混凝土梁对应于5个主要损伤状态(屈服、混凝土保护层压碎、剥落、纵向受力钢筋屈曲、极限状态)的变形进行了研究.首先通过对梁截面的弯矩-曲率关系分析建立了各损伤状态下梁截面受压区高度的计算方法.接着,利用在另文中得到的钢筋混凝土柱在各损伤状态下的截面压区边缘的混凝土应变大小,采用平截面假定和钢筋混凝土受弯构件的塑性铰理论建立了钢筋混凝土梁对应于各损伤状态的变形计算公式.文中提出的方法可为钢筋混凝土梁基于位移的抗震设计和抗震性能评价提供依据.     

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。     

基于曲率模态差的隐框玻璃幕墙结构胶损伤识别研究

鉴于应用曲率模态的隐框玻璃幕墙结构胶损伤识别研究较少，提出以隐框玻璃幕墙面板单块试件为研究对象，针对四边不同脱胶损伤进行模态试验并获取模态参数，通过模态分析获取模态振型，采用中心差分法获得曲率模态差，并利用Matlab进行绘图，针对不同工况损伤进行了一阶曲率模态分析。分析结果表明，结构胶脱胶损伤处的玻璃面板模态振型相比未损失时振幅发生起伏，但很难直接用于判断损伤位置，但损伤处曲率模态差值变化显著，采用曲率模态差法可以对损伤位置进行准确判定。     

碳纤维布加固火灾后钢筋混凝土梁的试验研究

首先简要介绍了3根足尺的钢筋混凝土梁火灾试验情况,火灾后用碳纤维布加固其中两根梁,然后对加固后的梁和1根未加固的对比梁进行单调加载的静载试验,观测比较梁发生破坏的全过程.通过对静载试验结果进行分析发现,碳纤维布加固能够明显提高火灾后钢筋混凝土梁的极限承载力和钢筋屈服后的刚度,能够较好约束梁裂缝的发展.因此,碳纤维布对于火灾损伤后的钢筋混凝土梁,是一种较为有效的加固方法.     

基于曲率模态的钢筋混凝土梁损伤检测研究

阐明了曲率模态的基本原理。对钢筋混凝土简支梁进行逐级加荷-卸荷试验,每次卸荷后进行动态检测试验,用DASP系统对试验数据进行分析,得到位移模态。利用二阶差分法,由位移模态得到了曲率模态。结果表明,曲率模态能较为准确地识别钢筋混凝土简支梁的损伤,且对微小损伤较为敏感,高阶的曲率模态对于损伤的敏感性高于低阶曲率模态。利用曲率模态能够较好地判定损伤的位置以及损伤的相对程度。     

火灾后钢筋混凝土梁损伤识别及试验研究

为得到火灾后钢筋混凝土简支梁动力特性用于识别其损伤,本文基于厚板积分理论提出火灾后以刚度为转换变量的梁自由振动方程,并考虑了弹性模量改变,中性轴上移及配筋率对其产生的影响。然后提出以频率为识别指纹对梁损伤后的位置及程度进行识别的新方法。最后结合梁的火灾试验及动力试验验证了理论的正确性。     

火灾后钢筋混凝土受弯构件抗弯承载力

研究火灾后钢筋混凝土受弯构件的抗弯承载力统一算法,分析火灾后钢筋混凝土矩形截面梁、单向板和T形截面梁的抗弯承载力。构件受火位置包括受拉区和受压区,截面配筋方式包括单筋截面和双筋截面。考虑以上因素,给出火灾后钢筋混凝土受弯构件抗弯承载力完整的计算公式,结合数值分析和试验结果验证公式的有效性。研究结果表明,提出的计算方法可以较准确地计算火灾后钢筋混凝土受弯构件的抗弯承载力。