基于有限元模型修正的土木结构损伤识别方法

基于有限元模型修正的结构损伤识别方法计算过程直观、物理意义明确,能同步识别结构损伤位置和损伤程度,是结构损伤评估最直接的依据。该文介绍了基于有限元模型修正的损伤识别方法基本原理与过程,总结近三十年来有限元模型修正技术的发展。土木工程结构模型复杂性(包含大量单元、节点、待修正参数等)导致有限元模型修正过程效率低,详细介绍了基于子结构有限元模型修正的土木工程损伤识别方法在提高计算效率方面的优势。将两种有限元模型修正方法应用于一栋超高层建筑数值模型的损伤识别,说明两类方法在土木结构损伤识别中的特点。土木工程尺度大而结构损伤通常发生在局部区域,子结构方法将整体结构的分析转换为对若干独立子结构的分析,通过少数局部子结构的模型修正实现损伤识别,避免重复分析大尺寸整体结构,为大型结构基于有限元模型修正的损伤识别开辟高精度和高效率的途径。     

超高层建筑施工期温度效应监测与分析

超高层建筑施工期受日照等环境因素影响,温度场分布不均匀,使结构产生不均匀变形和应力,进而影响施工质量和结构安全。文章基于一座335m超高层实际监测数据,研究了其施工期结构温度分布特点及其应力应变演化规律。结果表明,超高层建筑的外框与核心筒之间,以及结构的不同方位之间,均存在明显的不均匀温度分布,其不均匀程度随着季节而变化。结构在不均匀温度影响下产生不均匀应力变化,外框架竖向应力与季节性温度呈负相关性,主梁在季节温差影响下存在受拉开裂风险。研究成果对提高超高层施工质量、增强其运营期安全性和耐久性具有指导意义。     

基于模式识别的结构健康监测异常数据诊断

实际结构监测中不可避免出现异常数据，干扰结构的安全评估并引起误判。针对实际监测中多类型异常数据检测效率低和检测结果不准确的问题，提出一种基于特征提取和模式识别神经网络(PRNN)的多类型异常数据识别方法。针对不同类型异常数据的特点建立特征指标集合，通过特征提取将冗长原始样本转化为简短特征向量，显著提高了数据处理和异常检测的效率；进一步引入极坐标化AUCs曲线对多种异常的识别效果进行精确描述，提高了特征指标选取和网络参数调节的优化效率。建立武汉长江航运中心(335 m)健康监测系统，采用该超高层建筑的监测数据对所提方法的精度和效率予以验征。结果表明，基于特征提取和PRNN的多类型异常数据识别方法对6种数据异常的识别准确率达到99.7%,且运算时长仅为深度学习方法的数十分之一。     

基于子结构的有限元模型修正方法

提出了一种基于子结构的有限元模型修正方法。该方法将整体结构有限元模型划分为多个子结构模型,求解独立子结构的主模态特征解和特征灵敏度;通过位移协调条件和能量方程,约束相邻独立子结构,得到整体结构的特征解和特征灵敏度;并以整体结构模态和结构试验模态的残差为目标函数,通过调整子结构单元参数,完成有限元模型修正。当结构局部参数发生变化,通过分析某一个或几个子结构即可求解整体结构特征解和特征灵敏度,而不需要分析其他未发生变化的子结构。由于子结构模型尺寸远小于整体结构,该方法能够极大地提高有限元模型修正方法的精度和效率。     

基于隧道-土体体系的时域子结构损伤识别方法

城市轨道地下结构在复杂环境和自身材质劣化等多因素作用下会产生不同程度的损伤,影响城市轨道地下结构的正常服役性能。为了实现城市地下结构的损伤诊断,本文基于动力响应灵敏度模型修正算法,提出了一种时域子结构损伤识别方法,实现了无需输入力和界面力信息情况下结构的损伤识别。针对城市地下结构的超长线状特性和复杂性,以隧道-土体体系的有限元模型为基础,推导了时域子结构动力响应关于结构刚度变化参数和力的正交参数的灵敏度矩阵,同时结合动力模型缩聚技术以降低结构的自由度数量,采用提出的时域子结构损伤识别方法可准确识别出隧道衬砌结构的损伤位置和程度,并与整体结构分析对比,验证了时域子结构识别方法的高效性。     

超高层框架-核心筒结构温度变形理论计算与预测

超高层建筑的温度变形具有明显的弯曲型特征,随着结构高度的增加,温度变形量会显著增大。考虑常见的超高层框架-核心筒结构,将其等效为多层变截面悬臂柱,推导了截面温度场和核心筒温度应变的理论公式,结合应变与变形的数学关系,建立了截面温度场和温度变形的理论模型,包括温度场-水平变形、温度场-竖向变形和温度场-倾角模型;然后利用偏最小二乘回归法求解未知的温度变形系数,实现了温度变形的计算与预测。以335 m高的武汉长江航运中心结构为数值算例,计算了结构为期一年的温度场和温度变形数据,以此数据为基础,对提出的温度变形理论模型进行了验证。计算结果表明：偏最小二乘回归法能稳定地求解温度变形系数,温度变形回归模型的回归值与基准值吻合较好,最大相对误差和最小相对误差分别为15.10%和3.87%;回归模型预测值与基准值的变化趋势基本一致,最大相对误差和最小相对误差分别为8.49%和4.39%,可以认为截面温度场和核心筒温度变形之间具有明显的线性关系。所提出的方法适用于计算由季节温差和日照温差引起的温度变形。     

大型复杂结构健康精准体检方法

精确的安全检测与诊断评估是保证结构安全与长寿命服役的基础。为此,提出大型复杂结构的健康精准体检方法。建立了区域子结构与整体结构特征参数的定量关系式,推导区域子结构灵敏度计算方程,提出基于灵敏度分析的复杂结构损伤关键区域确定方法。提出了关键区域内部混凝土探伤的压电智能精准探测方法,通过压电阻抗的统计指标长距离、高精度表征混凝土内部损伤状况;建立关键区域内部钢结构磁电智能精准探伤方法,推导C形开环电流空间域磁场的聚集和调控方程,并在此基础上研发了开环式电磁磁化装置。基于子结构有限元模型修正的损伤识别方法,依据关键区域精准损伤精确诊断评估整体结构安全状态。研究结果表明：该健康体检方法精准探测结构内部微损伤,仅需关键区域损伤即可精确诊断评估结构安全性能,全寿命周期记录并动态评估大型结构各时期安全状况,为大型复杂结构安全诊断评估提供可靠的技术支撑。     

轨道交通地下结构安全监测与管养系统的实现

轨道交通地下结构在全寿命周期内因地质条件、列车运营、地面建筑物施工等因素会发生过大沉降、变形、裂缝、渗漏水等病害。本文针对武汉市轨道交通地下结构特点和病害类型,研发了基于B/S(Browser/Sever)的轨道交通地下结构安全监测与管养系统。该系统利用无线网络对地铁隧道结构自动进行数据采集与传输,综合监测数据,实时掌握结构受力状况,对异常情况及时预警,减少突发性事故的发生;采用基于Java的Jess专家系统,可根据结构性能及其退化趋势提供日常管养建议,实现对运营线路管理养护信息的集成、共享和智能决策,确保轨道交通地下结构在运营期的安全与稳定。     

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...     

基于综合层次分析法的赣江特大桥安全评估

桥梁监测传感器易出现损坏和失真现象,人工检测方法具有一定的主观性,二者均不能及时反映桥梁状态。本文提出综合层次分析的方法,通过人工检测法修正部分监测数据失真造成的评估误差,并弥补人工检测法因过于依赖专家经验而造成评估结果偏于主观的缺陷,提高桥梁安全评估的准确性。以昌赣铁路赣江特大桥为例,对于实时监测数据评估模型,先采用层次分析法确定底层评估指标的权重,再由变权综合法和灰色关联分析法计算上一层指标评分;对于人工检测数据指标评估模型,根据相关规范确定模型底层评估指标并依次计算各层评分。最后由变权综合法计算桥梁的综合评估分数。结果表明,该方法能够准确地反映桥梁健康状态,评估结果更接近桥梁实际状况。