基于模态分析的钢筋混凝土简支梁损伤识别的研究

基于模态分析的钢筋混凝土简支梁损伤识别的研究 内蒙古科技大学 硕士学位论文 基于模态分析的钢筋混凝土简支梁损伤识别研究 姓名:周明 申请学位级别:硕士 专业:结构工程 指导教师:薛刚 20080406内蒙古科技大学硕士学位论文 摘 要 工程结构在各种环境和使用条件下常会遭受各种损伤,结构损伤识别问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 就是要根 据结构表现出的性态去判别结构损伤的出现、位置和程度。国内外学者做了大量工作, 提出了一系列结构损伤识别方法,但基于模态分析的损伤识别法仍属于最普遍最基本的 方法。 本文研究了钢筋混凝土简支梁损伤的动力识别问题,对九根钢筋混凝土简支梁进行 逐级加荷?卸荷试验,用大型智能信号分析与处理系统DASP对每次卸荷后的梁进行振 动测试。通过模态分析,得到实验梁前三阶频率变化规律。利用ANSYS对不 同损伤状况 的简支梁的模态频率进行分析,结果表明在小损伤状态下,有限元分析结果与试验测试 结果符合较好。 由模态振型计算其相对变化率,表明振型的相对变化率可用于钢筋混凝土梁的损伤 定位。但是,实验和有限元分析表明,如果两处损伤位置非常接近,小损伤的振型变化 特征容易被大损伤掩盖,从而不能有效识别出小损伤。 利用中心差分法,由梁的位移振型模态得到梁的曲率模态,曲率模态能较为准确 地识别钢筋混凝土简支梁的损伤,对钢筋混凝土梁的微小损伤较为敏感。曲率模态不需 要结构的初始模态参数便可识别损伤,还可用它对结构的多位置损伤进行识别。将噪声 影响引入模态振型中,运用ANSYS软件,分析了不同的噪声条件对损伤识别效果的影响。关键词:钢筋混凝土梁;损伤识别;曲率模态;损伤定位 I -- 内蒙古科技大学硕士学位论文 Abstract Engineering structures serving in various environment and service conditions often suffer different kinds of damages, the purpose of structural damage detection is to identify the appearance, location and the degree of structural damages which are based on the character -istics represented by structures. Many scholars in the domestic and abroad have done a large amount of work, presenting a series of method of discerning structure damage, however, the damage discern method based on mode analysis is still the most general and basic method In this paper, research is carried on dynamic identification of damage of RC simple-supported beam, through loading and unloading tests step by step of nine RC simply-supported beams, an experimental dynamic monitoring is performed on the beam with the system of Data Acquisition Signal Process after each step of unloading. It obtains the variation law of first three orders frequencies of experiment beams by means of mode analysis technique. It analyses the modal frequency of simply supported beams in difference damage by ANSYS, the result shows that the finite element method is familiar to the experiment under smaller damage stateBy caculating the relative change rate of mode shape from mode shape, it indicates that the relative change rate of mode shape can apply on damage identification of RC beamHowever, the result of experimental and finite element analysis shows that, the change characteristics of small damage are easily concealled by the big damage if the two locations are quite closely, and which leads to the low efficiency to identify the small damage The curvature modal is derived from the displacement modal with second order differentiation method, curvature modal can identify the damage of RC simple-supported beam more accurately, it is sensitive to tiny damage of RC beam. Moreover, it can identify damage without the initial modal parameters of intact structure and can apply on the identification of multiple damages of structure. The noise is introduced into mode shape, then the author analyses the effect on damage identification under different noise with ANSYS software Key words: RC Beam, Damage Identification, Curvature Modal, Damage Location II -- 内蒙古科技大学硕士学位论文 独 创 性 说 明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的 地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含 为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 签名:___________ 日期:____________关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校 可以公布论文的全部或部分 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 (保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名:___________ 导师签名:___________ 日期:____________ 内蒙古科 技大学硕士学位论文 1 绪论 1.1 研究背景 随着社会经济的发展,人们对各种工程结构的安全性、耐久性与正常使用功能日渐 关注,结构在复杂的服役环境中将受到设计荷载的作用以及各种突发性外在因素的影 响,常存在着表面缺陷或破损,其中一些肉眼可见的破损或缺陷容易引起人们的重视, 可及时诊断并采取措施加以修复和维护。但是,实际上结构构件常常还存在着内部缺陷, 这些肉眼不可见的潜在缺陷有时更具危险性,甚至会引起结构的突然破坏,造成重大的 人员伤亡和财产损失。科技的进步,现代工业的发展,使得当今土木工程结构越来越向 超大化、复杂化方向发展,如大跨度桥梁、高层建筑、特大型水坝、大型核电站、离岸 结构、大跨度网架结构等,这些大型结构的初始微小裂纹是不易被发现的,它的存在将 改变结构的强度和刚度,如果不及时排除这些缺陷,微小损伤的积累,最终将导致重大 灾难性事故的发生。 1994年,韩国汉城市中心的一座桥梁因内部损伤而发生突然倒塌;1995年日本发生 大地震,许多有缺陷的结构变为废墟;1999 年,我国重庆市纂江县彩虹桥倒塌,死亡 【1】 16人,重伤 24人,这些结构的突然破坏造成了巨大的经济损失和人员伤亡 。我国目 前存在大量的旧建筑,相当一部分存在不同程度的缺陷。随着我国基础建设的不断成熟 与完善,旧建筑物的维修与改造逐渐成为基础建设的重点。这些重大土木工程结构尤 其是生命线工程结构的可靠性,对国民经济发展、社会稳定和人民的生命财产安全具 有直接的重大影响,已经引起人们的关心和重视。 结构损伤检测技术经几十年的发展已形成多种方法,人们对工程结构中发生的不同 问题如钢结构腐蚀、疲劳裂纹、预应力松弛、结构整体变形等提出了各种各样的局部无 损检测方法,其中X射线照像术、超声波探伤、电磁检测、热成像法和声波检测技术已 经在实际中有广泛应用,但是由于结构及损伤情况的复杂性,这些方法存在如下的一些 问题: (1)这些无损检测方法常常只能对小型结构和结构的局部构件进行定期的检 查, 对大型、复杂结构的整体缺陷很难检测; (2)试验设备难以满足施工现场条件,受到场地和仪器的限制; (3)对一些不可见,不开敞的部件难以检测。 针对这些问题,出现了很多新的无损检测方法,以解决整个结构特别是大型复杂结 构的损伤诊断问题。它们大都利用结构在静态和动态载荷下的响应变化来进行结构损伤 的诊断。结构中出现的损伤会引起结构物理参数质量、刚度等的改变,进而引起结构 动力参数频率、振型、阻尼等的变化,根据这些参数的改变即可确定结构损伤的位置 -1- 内蒙古科技大学硕士学位论文 与程度,称为结构的损伤识别。 与局部无损检测相比,利用结构动力特性的变化来进行结构整体损伤检测的方法与 技术,有着信号易于提取、探测器可以安装到人们不宜接近的结构等优点。 从本质来看,工程结构的损伤识别和质量评估是同一个问题的不同面,因此按不同 的技术水平可将其分为4个阶段: (1)初步估计结构是否发生损伤; (2)损伤位置的确定; (3)损伤程度的确定; (4)结构可维持的寿命。 到目前为止,由于工程结构的复杂性,结构损伤识别研究大都局限在 1, 2阶段上, 主要对结构的损伤位置判断,而对3,4阶段的识别还需进一步研究。 1.2 基本原理 基于结构振动的损伤检测方法通常称为损伤识别Damage Identification, 是用结构 的振动测量信号对结构进行无损检测。这种结构损伤检测起源于上世纪 70年代,从那 时至今,人们为了寻找解决大型结构早期损伤识别问题,进行了许许多多的研究工作, 提出了很多种方法。 基于结构振动的损伤识别技术早期的研究主要在航空航天领域。早在 1975 年, 【2】 Adams 利用结构固有频率的减小和阻尼的增加来检测纤维增强复合材料中的裂纹,从 而创立了结构损伤动力测试方法。由于这种方法具有不损伤构件,获取数据方便,动力 数据反映结构整体性能等优点,已成为众多科研工作者研究的方向。近年来,若干大型 国际会议如国际模态分析会议(IMAC)、国际结构健康监测专题学术讨论会等都把结构 【3】【4】 损伤诊断和健康监测作为研究和讨论的重点 。 振动检测的基本原理可以概述为:结构中的损伤使损伤所在位置的局部结构特性如 刚度、质量、阻尼等发生了相应的变化,从而影响结构的力学特性如静力响应或动力响 应模态频率、模态位移。根据逆问题的描述,可以由结构的力学特性的变化反演得到 结构特性的变化,这个反演过程就是损伤识别的过程。可以看出,损伤识别过程的关键 问题是选取适当的响应特性参数,该参数的变化能明确地指示结构特性的变化,而且能 比较容易对结构响应的数据进行适当的处理得到变化的大小,以判别结构损伤的位置和 程度。 1.3 基于振动的结构损伤识别技术研究现状 工程结构动力损伤识别研究不过三十多年的时间,仍处于发展的起步阶段。虽然取 -2- 内蒙古科技大学硕士学位论文 得了不少的成就,在损伤检测理论与方法上有了长足的发展,如秦权等人对 香港青马大 【5】 桥成功的进行了损伤模拟分析 ;同济大学李国强教授等对上海金茂大厦(92层,420 【6】 米)的动力性能进行测定 ,但目前大多的动力检测研究还只限于理论分析(计算机仿 真研究),试验研究以及用于实际工程的理论研究成果较少。在比较少见的损伤识别的 研究试验中,大多利用了匀质材料试件,钢筋混凝土试件很少,也就是说,对线性损伤 识别技术研究得比较多,而非线性损伤识别技术研究得比较少。实际工程结构都是非线 性结构,只是非线性的强弱不同,为促进损伤动力识别在土木工程领域的发展,尚需进 【7】 行大量的非线性材料(比如钢筋混凝土)损伤识别试验研究 。 1.3.1 基于结构固有频率变化的损伤识别方法 固有频率是动力参数中最容易测得的一个参数,测试精度也很高,是使用比较早的 一种方法,运用也比较广泛。有很多文献对基于固有频率变化进行损伤识别的方法进行 【8】【9】 了很好的总结 。我们知道,振动频率是结构物理参数的函数,结构物理参数的变化会引起振动频率 的变化。利用固有频率的变化进行损伤识别的优点是:固有频率的测试比较容易而且精 度较高。 1以频率变化比为识别参数 δ/ δPCawley证明了两阶频率的变化比( )只与损伤位置有关,与损伤程度 i j 【10】 无关 。该方法主要利用此因子值与损伤位置的对应关系来定位损伤。从理论上讲,发 生损伤以后的任意二阶频率改变量之比仅是破损位置的函数,而与损伤大小无关。这就 是比较常见的结构损伤定位方法。 2以频率变化的平方比为识别参数 2 2 δ? / δ? 频率变化的平方是损伤位置和程度的函数,但是频率变化的平方比( ) i j 仅是损伤位置的函数: T α ε Φ ?k ε Φ N N j N N j [ ] 2 Tω Φ M Φ i i i = (式 1.1) 2 Tω α ε Φ ?k ε Φ j N N j N N j [ ] T Φ M Φ j j当只有一个损伤单元或某些损伤单元的损伤程度相似时,频率变化的平 方比仅为损 伤位置的函数。 3以相对频率变化比为识别参数 ?f / f / ?f / f 以相对频率变化比 为参数。YNarkis在1992年,用一简支梁推 2 2 1 1 -3- 内蒙古科技大学硕士学位论文 得此量只与损伤位置有关,而与损伤的尺寸、形状及梁的性质无关。 众多的研究者发现,测试时,固有频率容易获得,测试的精度比较高,频率的 特征 值的随机误差比其他模态参数小得多。但是,很多实践表明该类技术在应用上有一些不 足,根据频率变化进行损伤识别有很大的局限性,固有频率对结构早期损伤有时并不十 分敏感,往往只能判断结构损伤是否出现,而对结构损伤的位置不很敏感,即仅用频率 测量数据往往只能用来发现损伤而无法准确进行定位,不足以对损伤检测提供足够的信 【11】 息 。这是因为不同位置的损伤可能引起相同量的频率变化,频率是能量的比值,而能 量是一个积分量,结构的局部改变湮没在能量积分中,使得不同形式的结构损伤可能产 生相似的频率变化特性,因而频率对刚度的局部变化不太敏感。例如,对称结构中,在 两个对称位置上的结构损伤将产生同一种频率变化,不同形式的结构损伤可能产生相似 【12】 的频率变化特征。魏培君等 指出能使固有频率变化 5%以上的损伤一般是可以被识别 的,然而,5%以上的频率变化并不总是意味着存在损伤,当损伤发生在低应力区域时, 用频率识别的方法并不可靠。此外,频率的变化只能说明结构中有无损伤,但损伤的位 置及其严重程度则无法确定。 1.3.2 基于结构固有振型变化的损伤识别方法 振型是比较敏感的参数,特别是在节点附近,刚度的微小变化即可引起节点位置的 移动。损伤位置和损伤程度对各阶振型的影响不同,不同阶次的振型对损伤的敏感程度 也不同。因为振型的测量误差比较大,准确测量振型,需要布置大量传感器,所以常与 频率联合使用,以频率变化探测损伤的存在,用振型确定损伤位置。 振型较结构的固有频率包含更多的损伤信息,因此,利用结构固有振型作为损伤标 【13】 识量进行损伤识别的研究有很多。 Yao 等分别用位移振型和应变振型研究了一座五层 框架结构局部损伤问题,他们通过框架结构六种不同位置的损伤观测了损伤引起结构位 移振型和应变振型的变化,比较了位移振型和应变振型对结构损伤的灵敏度。结果表明, 位移振型对结构某些位置的损伤较敏感,对某些位置则不敏感,而应变振型对不同位置 【14】 的损伤都较敏感。郭国会 等利用结构振型的变化研究了一座十一层框架结构的损伤 问题,通过分析结构振型对结构刚度变化的灵敏度,建立了结构刚度变化与结构振型变 化的理论关系式,通过对灵敏度矩阵的识别及一阶振型变化的测量,可识别结构的损伤 问题。利用结构振型的变化可准确对结构损伤进行定位,但存在的主要问题是:由于测 量的振型不完整和测量误差较大,从而影响识别精度。一般情况下,高阶振型特征量比 低阶振型特征量对损伤更敏感。 1模态置信因子MAC -4- 内蒙古科技大学硕士学位论文 T 2 T T MAC ? ? ×? (式 1.2) i iH iA iH iH iA iA式中,为损伤和非损伤状态下结构的第 i阶振型,它表示振型相关图中最小 iA iH 二乘偏差的度量。 2模态比例因子MSF T T MSF ? ? (式1.3) i iH iA iA iH式(1.3)表示振型相关图的最佳直线的斜率。式(1.2),式(1.3)是对损伤前后同 阶模态相关性的分析,当模态对应关系未知时,应用坐标模态因子对其进行分析。 3坐标模态置信因子COMAC 坐标模态置信因子用来度量损伤前后特征向量的相关性。 m m m 2 2 2 COMAC ? ? (式1.4) k ? kiH kiA ? kiH ? kiA i 1 i 1 i 1 以上 3个参数值的范围均为 0~1,当其接近于 0时,说明损伤前后的模态不相关, 即结构中有损伤;当其接近于 1时,说明损伤前后的模态相关性好,即结构中无损伤。 但这些参数对损伤初始阶段识别能力较差。4振型变化图形法该方法是以振型相对变化率作为定位参数。当发生破损时,受到影响的自由度上的 【15】 振型相对变化率在损伤区域内就会出现比较大的值 。所以,利用振型相对变化图可以 识别损伤的位置。 定义损伤前后的振型相对变化率RD为:j? j ui di RD j i1,2,?,s (式1.5) ij uijj 式中 和 分别为结构损伤前后第i振型的j自由度上的值。当损伤发生 ui di 时,受到影响的自由度上的RD值较大。这样RD图形将在损伤位置出现“尖峰”,于是 利用RD图形便可以识别损伤的位置。 1.3.3 基于结构柔度变化的结构损伤识别方法 【16】 Pandey和 Biswas 等提出:可利用结构的损伤前后的柔度差来探测结构的损伤。 -5- 内蒙古科技大学硕士学位论文 【17】 Zhao和 De Wolf 将固有频率、振型与模态柔度进行了灵敏度分析对比,证明了模态 【18】 柔度比固有频率、振型对局部损伤更灵敏。同济大学李国强教授 研究了利用测量稳 态柔度矩阵来识别多自由度的悬臂型结构或剪切型结构的损伤理论方法,直 接建立模态 与结构损伤参数之间的关系,通过解矩阵方程识别损伤参数,验证了这一方法的有效性, 此方法所需已知条件少,最多仅需三阶模态,因此应用这种方法便显得很方便。 可通过由测试得到的结构前几阶固有频率和模态较为精确地构造结构的柔度矩阵。 柔度矩阵元素反比于固有频率的平方,所以低阶振动的模态和频率信息在柔度矩阵中所 占的影响成分很大。实际应用中一般只能测得结构最低的几阶模态与频率,以此来近似 得出实际的柔度矩阵。近年来,一些研究者利用模态柔度的改变量对结构进行损伤识别, 指出模态柔度比固有频率或振型对局部损伤更敏感。但是当结构的损伤区域较多时,由 于损伤区域事先未知,实际中如何确定能够反映全部结构损伤所需的最少测试自由度信 息,还有待于深入的研究。 1 柔度差方法 【16】 柔度差方法是利用柔度矩阵的变化来检测损伤,Pandey 以简支梁结构的仿真计 算和实验表明该方法对单位置损伤有很好的识别能力,但识别两个位置以上的损伤效果 却不好。 主要原理是:在模态满足归一化的条件下,柔度矩阵是频率的倒数和振型的函数。 随着频率的增大,柔度矩阵中高阶频率的倒数影响可以忽略不计。这样只要测量前几个 低阶模态参数和频率就可获得精度较好的矩阵。根据获得损伤前后的两个柔度矩阵的差 值矩阵,求出差值矩阵中各列的最大元素,通过检查每列中的最大元素就可找出损伤的 位置。 2柔度曲率方法 【19】【20】 c 以柔度矩阵的概念为基础,产生了柔度曲率的方法 。计算柔度曲率 f 元素 为: f , ?f , +f , i ?1 j ?1 i j i +1 j +1 c f i 2 , ? , n ?1 (式 1.6) i n 2 ?l其中:f , 为用前j阶模态估计的柔度矩阵在第i点的元素值, ?l为有限元计算的 i j 梁单元长度,n为节点数目。柔度曲率的局部极值可用于预测损伤位置。对于同样的损 n 伤,高阶曲率模态的变化明显要大于低阶曲率模态,即高阶曲率模态对损伤更加敏感, 【21】 这在郑明刚 等的试验中也得到验证。 柔度曲率方法较柔度差方法的识别精度大大提高了,而且它只需损伤结构的模态参 数就可以识别结构的损伤位置,仅需要低阶模态信息即可获得很好的识别精度,同时, -6- 内蒙古科技大学硕士学位论文 该方法具有计算量小和简便易行的优点。对简支梁而言,高阶模态可能会引起柔度曲率 产生小的突变,从而造成识别误差,因此,可以仅采用第一阶模态数据求结构的柔度曲 率以识别损伤位置。 柔度曲率方法可以用来识别对称、非对称损伤,密集分布损伤和各位置损伤量不同 的情况,比柔度差方法对于多位置损伤具有更好的识别精度和局部性,而且不需要健康 结构的信息作为基线,适合工程桥梁损伤的快速动力学检测。实际检测桥梁的柔度或柔 度曲率时,需要较为密集的测点以保证足够的局部性,虽然难以采用应变片的点分布测 量方法,但目前已经能够采用光纤式应变传感器得到线分布的测量结果,因此柔度方法 尤其是柔度曲率方法具有相当好的应用前景。 1.3.4 基于频响函数传递函数的结构损伤识别方法 频响函数传递函数是结构输入信号和输出信号的傅立叶变换拉普拉斯变换之 比,结构频响函数传递函数包含了结构物理参数的所有信息,结构损伤的类型和位置 唯一地决定了频响函数传递函数的变化。正是基于频响函数传递函数的这一性质, 中外众多研究者将频响函数传递函数作为结构损伤识别的标示量。该方法的基本原理 是运用结构损伤前有限元模型基本信息和结构损伤后实测的部分频率和振型,对结构的 频响函数矩阵进行分解,建立最小二乘函数,利用优化方法识别结构损伤后刚度和阻尼 的变化。该方法优点是实验测点少,缺点是由于只利用了结构损伤后部分模态信息,一 【22】 些有用的信息可能被丢失,从而影响识别的精度。Mark J 等提出了一种利用传动函 数Transmittance Function识别损伤的方法,传动函数的定义是结构上任意两点加速度 的互谱与两点中任意一点的自谱的比值。对于相同均方根幅值的随机激励,传动函数是 频响函数矩阵列的函数,与输入无关。这样,结构传动函数的最大变化就反映了结构损 伤的情况。该方法的优点是不需要先验知识和数学模型,便于进行在线检测,不足之处 【23】 是测量点的数量和位置影响识别的精度。郑明刚 等利用频响函数的曲率研究了一斜 拉索结构的损伤问题,该方法是通过比较结构损伤前后频响函数的曲率变化大小确定结 构损伤的位置和程度。其原理类似于振型曲率法,但不需要测试振型,比振型曲率法识 【24】 别效果好,缺点是位置识别不够精确。李晏 等利用应变频响函数研究了一箱 型梁的 损伤识别问题,以两点应变的傅立叶变换之比,即频响函数之比作为损伤识别的敏感因 子,当结构损伤发生时,该因子会发生显著的变化,易于对结构损伤进行定位。 1.3.5 基于残余力向量的损伤识别技术 【25】 1992年,Ricles 提出残余力向量的概念,将结构损伤后的刚度矩阵和质量矩阵用 损伤前的相应值来代替,则相对于第i阶振型的残余力向量定义为: -7- 内蒙古科技大学硕士学位论文R Kλ M φ (式1.7) I u di u di如果结构未发生损伤,那么R为 0,而如果某单元发生了刚度下降,那么这个单元 I 相应节点自由度的振型分量必然发生较大变化,导致此自由度相应的残余力较大,从而 识别结构损伤位置。模拟结果证实,在损伤导致的频率变化很小的情况下,残余力向量 能识别出损伤的位置。但值得注意的是,对某一损伤状况,应多用几阶振型来计算相应 的残余力向量,因为如果损伤单元位于某阶振型的节点上,该阶振型的残余力向量不能 很好地反映此单元的损伤。 【26】 1993年,Baruh 同样利用残余力向量法对一桁架结构进行损伤识别,并分析了结 构模型误差对此方法识别效果的影响。当其中5个单元存在5%的刚度误差时,识别效果 严重下降,尤其是对于小损伤程度的情况。 残余力向量对损伤比较敏感,可根据结构单元残余力的大小确定结构的损伤部位。 【27】 张向东等 以一矩形等截面悬臂梁为研究对象,利用残余力向量法,通过数值模拟,实现 了对预制裂纹梁的损伤识别。如果已知结构有限元模型,通过残余力法只需测量结构损 伤后的频率和振型,便可识别损伤。但对于复杂结构很难获得准确的有限元模型,这是 该方法的不足之处,需要对残余力法进行改进,以消除建模和测试带来的误差,使之更 适合工程应用。 1.3.6 基于刚度变化的损伤识别技术 当一个结构发生损伤时,刚度矩阵提供的信息一般比质量矩阵多。因为结构发生损 【28】 伤时,其刚度矩阵变化比质量矩阵变化显著 。但是,结构发生微小的损伤比如小于 【29】 百分之五时,这类方法将无法进行损伤识别 。利用刚度矩阵的变化进行损伤识别有 很多人在研究。 对于实际的土木工程结构,涉及的自由度数量和未知参数数目急剧增加,其难度和 收敛的计算要求也随之增加,而实际的情况是,结构的损伤可能只发生在结构的局部部 位,结构的大部分部位没有出现损伤,大部分结构单元的刚度基本没有改变,此时采用 【28】 子结构损伤识别方法对大型复杂结构系统的损伤检测和状态评估是一种有效的方法 。 在模型修正方法中,通常做法是修正选定子结构的刚度系数而不是单个结构构件,其目 的是减少要修正刚度参数的数量,使得病态和非唯一性保持在可以接受的程度。 1.3.7 小波变换法 自从1984年,法国地球物理学家 J. Morlet提出小波概念以来,小波理论在 各个工 程学科中得到广泛的应用。这几年逐渐兴起了应用小波分析对结构进行损伤识别,小波 -8- 内蒙古科技大学硕士学位论文 分析作为信号处理的强有力数学工具,其优秀的时频分析能力被应用到损伤识别中,展 现出了极具前景的旺盛生命力。 20世纪90年代以来,利用小波分析检测机械结构中的故障有较多研究,Wang等人 应用小波分析对机械齿轮的早期损伤进行了研究,通过应用多种小波对旋转机械齿轮损 【30】 伤信号进行分析,总结了几个小波用来分析故障信号的敏感性和可应用性 。 【31】 Sun 等人对一个连续梁进行了损伤识别数值模拟,他们应用小波包分解信号的能 量来构造损伤信息,并通过神经网络对梁结构损伤进行了数值仿真识别,分析了测量噪 声对损伤识别结果的影响,取得了较好的识别效果。 在系统分析中,损伤其实可看作是系统的一种附加激励,它引起系统输出信号的改 变,因此,损伤检测可归入系统识别system identification问题。它是根据 系统输出来 提取物理参数,从而确定损伤。现代信号处理和神经网络技术的最新研究也表明,损伤 检测可认为属于图象识别pattern recognition问题,所以小波变换在结构损伤识别中发 【32】 挥着极为重要的作用。最近,Staszewski 综述了用小波变换法识别结构损伤的基本原 理和多种方法,介绍了各种方法的应用背景,讨论了小波变换法的具体适用范围。 1.3.8 基于神经网络与遗传算法的指纹识别法 神经网络已成为当代人工智能研究领域的一大热点,工程界也表现了极大的热忱, 期望它在解决一些长期用传统方法难以解决的问题方面发挥突破性作用。 由于神经网络具有显著的学习能力,高度的并行计算能力及噪声的鲁棒性,近年来 人们对于神经网络在结构参数识别中的应用开始了一系列研究。 最早将神经网络用于结构损伤检测的是美国 Purdu 大学的 Venkatasubramanian 和 【33】 Chan ,他们于1989年第一次运用BP网络进行了工程结构的损伤检测与诊断。 【34】 Wu 等在1992年利用BP网络对一座三层剪切框架结构进行损伤识别,对楼层加速 度时程响应进行傅立叶变换得到加速度幅值谱,将其作为网络输入,正确地实现了各楼 层的损伤识别。 【35】 朱宏平 提出了一种改进的 BP神经网络方法,引入动态自适应算子加速传统 BP 算法的梯度下降速度,从而提高运算速度,通过自调节保证学习过程中每一时刻具有较 大的 Sigmoid函数值,从而可以避免局部极小。数值仿真结果表明,基于该自适应神经 网络的结构损伤检测方法具有较强的鲁棒性和很高的精度。 另外,损伤诊断可以归结为参数识别问题,可通过最优化方法求解。遗传算法实际 【36】 上也是一种优化算法,于70年代由美国密执安大学的 John Holland 提出,它是基于 自然遗传和自然选择机理的寻优方法。其优点在于只需要计算各可行解的目标值而不要 求目标函数的连续性,不需要梯度信息,具有很强的鲁棒性。将损伤诊断问题 归结为参 -9- 内蒙古科技大学硕士学位论文 数识别的最优化问题,可以在测试获取信息不多的情况下,迅速地找到破损部位并能准 确地模拟破损的程度,即使在模态信息可能丢失时,其寻优能力仍不受影响。 【37】 Friswell 等人利用遗传算法确定结构中的损伤位置,并且对这些位置上损伤程度 进行估计。结果表明,遗传算法应用于损伤识别分析比传统的优化方法有优势,能得到 与实际损伤位置很接近的识别结果。 尽管损伤识别方法已得到了充分的发展,并广泛用于实际结构的损伤检测,但还存 在许多不足和不完善的地方,有待进一步研究解决。 1.4 结构损伤动力识别存在的问题 基于结构振动的损伤识别方法属于结构整体检测范畴,已经被广泛应用于航空、航 天以及精密机械结构检测等领域。除了整体检测的优点外,对于石油平台、桥梁等土木 工程结构,可以利用环境激励引起的结构振动来对结构进行检测,从而实现实时监测, 这是很吸引人的。但是对于某些大型土木结构,该方法目前还存在一定的困 难,进入实 际应用还有很多研究工作要做,主要体现在: (1)各种损伤识别方法大多在理论分析方面比较完善,有限元中模拟的效果很好, 但在实际工程中能够利用的损伤识别因子却很少,与广泛运用于实际的结构损伤检测还 有一定的距离,使其产生经济效应还有很长的路要走。 (2)目前,很多试验是利用匀质、线性的理想材料进行分析,而对于具有非匀质 的混凝土结构却很少涉及,其损伤的研究还远不够成熟。 (3)各种损伤识别的方法仍处于探索阶段,同时,某一种方法只适用于相应的条 件之下,需要在实际中比较各种方法的优缺点,确定各种损伤识别因子的适用范围。 (4)土木结构较多的不确定因素、复杂的工作环境以及工程规模的大型性使得结 构的动力特性测量精度低,信号误差增加,导致损伤识别困难,目前对信号误差分析也 较少。 由上可知,基于振动的损伤识别方法是一种有着良好前景而又远未成熟的方法,需 要我们进行更深入的研究和实践探索。1.5 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容如下: (1)对几种常用的结构损伤识别方法进行论述,分析比较了各种方法的特点,明 确其各自的适用范围。 (2)在内蒙古科技大学结构实验室制作了九根钢筋混凝土简支梁。通过逐级加荷 ?卸荷,每次卸荷后,进行动测试验,用模态理论对钢筋混凝土梁的损伤进行了分析, -10- 内蒙古科技大学硕士学位论文 详细地论述了基于模态分析理论和试验的损伤识别技术,对结构损伤发现与定位的固有 特征参数(振型和固有频率)的敏感性进行了研究,并利用有限元法获得结构在损伤下 的频率和振型信息,将试验结果和有限元方法进行比较。 (3)曲率模态的损伤检测不需要结构的原始信息数据,它是损伤识别的一个新的 平台。利用曲率模态,研究了在不同位置损伤、不同程度损伤、多位损伤以及测点数量 对损伤检测的影响。 (4)本文考虑噪声带来的误差影响,利用有限元软件分析了噪声对曲率模态误差 的影响,并提出相应的误差范围要求,指出在此误差范围内才能进行较好的 损伤识别。 -11- 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 钢筋混凝土简支梁损伤试验研究 结构损伤检测是一个十分复杂的问题,利用结构振动响应进行损伤检测,需要进行 结构的动力试验,将理论分析的结果运用于实际的损伤检测,通过试验验证该方法的可 行性,并判断各种损伤因子的敏感性与损伤检测的效果。 2.1 试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 本试验以钢筋混凝土简支梁为研究对象,以研究钢筋混凝土简支梁的各阶段损伤为 目的。加载方式为逐级加荷-卸荷-再加荷,每次卸荷后,对试验梁进行试验动态信号 采集、模态分析,以确定损伤的位置和程度。 2.1.1 测点选择 试验过程中需要综合考虑结构的特点以及试验的目的,由此来确定测点的数目和布 置方法。 由于此梁在横截面方向的尺寸与梁长方向尺寸相差较大,可以简化为杆件,因此只 需在梁长方向按顺序布置若干敲击点即可,敲击点的数目应根据需要获得的模态分析的 阶数而定,而且敲击点的数目要多于所要的阶数,这样得出的高阶模态结果才可信。本 次试验将L-1、L-2、L-3三根梁分成十等份,即布置九个敲击点,而其余六根梁分成二 十等分,布置十九个敲击点,支座处不作为激励点。测点数量能够保证结构前三阶振型 拟合曲线较为准确、光滑、完全。 2.1.2 传感器布置 传感器的布置对于参数识别和损伤探测具有非常重要的意义,所以选取的拾振点位 置必须综合考虑梁的几何形状、约束情况、受力条件等方面的影响。拾振器的位置不能 靠近支座端,因为约束的优劣会对拾振点产生较大影响。同样,也不能将拾振器放在梁 各阶振型节点的位置,因为节点处是该阶位移为零的位置,研究表明振型节点处的损伤 对振型影响不大。由于要求获得结构前三阶的振型和频率,综合各种因素,十等分梁的 拾振器放在第二号敲击点的位置,二十等分梁的拾振器放在第四号敲击点。关于敲击点 和拾振点的位置见图2.1、图2.2。 -12- 内蒙古科技大学硕士学位论文 支 撑 柱 反 力 梁 支 座 压 梁 千 斤 顶 支 座 压 梁 带 钢 板 压 轴 力 传 感 器 带 钢 板 压 轴 地 锚 螺 栓 地 锚 螺 栓 力 锤 激 振 位 置 钢 轴 钢 轴 加 速 度 传 感 器 厚 钢 板 厚 钢 板 图 2.1L-1、L-2、L-3动力采集位置及激振位置示意图 支 撑 柱 反 力 梁 支 座 压 梁 千 斤 顶 支 座 压 梁 力 传 感 器 力 锤 激 振 位 置 带 钢 板 压 轴 带 钢 板 压 轴 地 锚 螺 栓 地 锚 螺 栓 钢 轴 钢 轴 厚 钢 板 厚 钢 板 加 速 度 传 感 器 图 2.2L-4??L-9动力采集位置及激振位置示意图 压梁 试验梁 加载千斤顶 支座图 2.3 静力加载装置 -13- 内蒙古科技大学硕士学位论文图 2.4 简支梁支座示意图 2.1.3 加载方案 对简支试验梁跨中进行集中加载,静力加载装置图、简支梁支座示意图如图 2.3和 图2.4所示,在每一级荷载下的试验步骤为: (1)每一级荷载下持荷,用DH3817动静态应变测试系统测定控制截面受拉钢 筋及 受压边缘混凝土的应变,并观察裂缝位置、高度、宽度; (2)卸荷至零; (3)在支座处设置压梁,用力锤锤击混凝土试验梁,依次敲击每个激发区三 次; (4)拆除压梁,施加下一级静力荷载。 2.1.4 信号采集过程 动力试验中,激振器采用DFC-2型高弹性聚能力锤,系统产生的结构振动响应由 9818型加速度传感器采集;然后,采用北京东方振动与噪声技术研究所研制并开发的 INV306DF型智能信号采集处理分析仪和DASP大容量数据自动采集与信号处理软件进 行通用传递函数分析,将试验中采集的各点振动信号进行模态分析,得出结构较为精确 的模态参数和振型。然后将所得的位移振型模态信息数据,利用中心差分法获得结构的 -14- 内蒙古科技大学硕士学位论文 曲率模态,试验测试的信号采集系统如图2.5所示。 加速度传感器 DASP系统 INV采集仪 信号放大器 试件力锤 图 2.5 信号采集系统 2.2 试件设计 本试验的试件为9根钢筋混凝土简支梁,具体设计参数见表2.1。 表 2.1 试件参数 序 试 件 截面尺寸 受拉 受压 砼实测 纵向受拉钢 备注 号 名 称 (mm) 钢筋 钢筋 强度 筋屈服强度 1 L-1 250×150×2200 3 Ф10 2 Ф6 C30.5 有缺陷 2 L-2 250×150×2200 3 Ф10 2 Ф6 C30.5 完整 3 L 3 250×150×2200 3 Ф10 2 Ф6 C30.5 - 完整 4 L-4 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 完整 2 5 L-5 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 324N /mm 完整 6 L-6 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 完整 L 7 7 - 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 完整 8 L-8 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 完整 9 L-9 100×150×2200 2 Ф10 2 Ф8 C35.2 完整 注:L-1的缺陷为结构的施工质量造成的。 本试验所有钢筋为都为HRB235级,其中箍筋为 Ф6@150,其余受拉、受压钢 筋如 3 表2.1所示。混凝土强度设计等级为C20,混凝土的配合比:1m混凝土需要蒙 西PC325 水泥:340kg;水:175kg;砂:730kg;石子:1200kg。 2.3 模态分析方法选择 本试验方法的选择考虑了以下几点因素:首先,接触式加速度传感器移动不方便, 但激励装置(力锤)小而容易移动;其次,单点激振不能将我们感兴趣模态都激励出来; -15- 内蒙古科技大学硕士学位论文 再次,结构在同一频率时可能有多个模态,这样单点激振就不能把它们全都分离出来, 需要采用两个甚至多个激励来激发结构的振动。故该试验选择多点移步激振,单点拾振 的模态分析方法。 2.4 试验结果与数据处理 此试验的模态分析是在DASP(大容量数据自动采集和信号处理系统)中完成的。仪 器连接好后,启动DASP软件。使用信号分析中的自谱分析,可以获得简支梁的固有频 率,运用单踪时域分析,可以查看波形,同时输出结果 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。运用模态分析软件模块, 将激振过程中的激振力和测点响应的时间历程存盘等待处理;对每一测点的激振力和响 应运用传递函数分析得出传递函数的方程,并将结果存盘;在模态分析中建立模型,对 每个测点的传函结果进行集中平均以确定模态阶数,然后对实测结果进行模 态拟合,经 f 过振型归一、质量归一化处理,得到振动系统的有关参数,如固有频率 、衰减阻尼系 n A M K C φ 数 和留数 ,同时也可以得出模态参数 、 、 和系统振型矢量 等,最后将 r r r r r 得到的频率以及振型数据进行分析。 -16- 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 基于频率的损伤识别 固有频率变化的损伤识别方法,测试简单,分析方法已经很成熟且精度高;同时, 对于一些形状复杂的结构来说,有些位置布置测点时,基于模态分析的方法不便使用, 而频率法可很好的发挥作用。在工程实际中,一般只需少数测点的测试就可以得到结构 的固有频率。 3.1 试验频率分析 利用 DASP软件的信号分析,获得各个阶段不同荷载下的频率值。由于在敲击过程 中支座会出现振动,使得支座端测点的频率值较跨中大,故一般频率采用跨中段的数值 进行分析。在图3.1和图3.2中可以看出随着荷载的增大,结构的前三阶频率都发生了 下降。 图 3.1完整状态下的频率 图 3.2加荷 7kN状态下的频率 -17- 内蒙古科技大学硕士学位论文 根据钢筋与混凝土的实测强度,通过计算可以获得简支梁在受跨中集中力作用下, 配置 3 Ф10受拉钢筋的简支梁极限荷载为 13kN,配置 2 Ф10受拉钢筋的极限荷载值为 10kN,超过此极限荷载频率分析不再有意义,因此以结构达到极限荷载作为频率分析的 终点。测定结构在不同荷载下的前 3阶固有频率,频率的分析结果如下表 3.1?表 3.5 所示: 表 3.1L-1在各级荷载加载后固有频率(Hz)及其变化 一阶 频率 二阶 频率 三阶 频率 序号 荷载(kN) 频率 变化率 频率 变化率 频率 变化率 1 0 54.75 0 232.09 0 478.91 0 2 1 54.39 0.7% 231.76 0.1% 477.96 0.2% 3 2 52.80 3.6% 225.76 2.7% 460.71 3.8% 4 3 51.75 5.5% 225.01 3.0% 448.26 6.4% 5 5 51.39 6.2% 223.51 3.7% 440.47 8.0% 6 7 50.47 7.8% 222.68 4.0% 435.35 9.1% 7 9 49.34 9.9% 221.83 4.4% 428.65 10.5% 8 11 48.75 11.0% 221.26 4.7% 426.59 10.9% 9 13 46.75 14.6% 218.08 6.0% 4