鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷實用方法研究.pdf

1、土木工程結(jié)構(gòu)在長期的服役過程中不可避免地遭受損傷,損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力衰減,極端情況下會引發(fā)工程事故,造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此對結(jié)構(gòu)的損傷識別法進(jìn)行深入的研究意義重大。目前,結(jié)構(gòu)損傷識別研究雖然已取得了一些成果,但可用于工程實踐的損傷識別方法卻很少。究其因為,多數(shù)損傷識別方法存在兩個重要缺陷,一是現(xiàn)有的工程檢測技術(shù)無法為損傷識別方法的實施提供精確的并且數(shù)量足夠的實測數(shù)據(jù),二是多數(shù)損傷識別法缺少用于判斷結(jié)構(gòu)損傷的代表結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的

2、基準(zhǔn)。針對上述問題,本文提出了三種實用結(jié)構(gòu)損傷診斷方法,并利用鋼桁架、鋼殼等結(jié)構(gòu)模型的試驗初步驗證了這些方法的有效性。以下是本文的主要工作。
　　 1、提出并總結(jié)了三種用于結(jié)構(gòu)損傷識別的新方法:對稱信號法,動靜結(jié)合法和樂音準(zhǔn)則法。(1)對稱信號法是基于對稱信號法基本原理的損傷識別方法,該方法適用于結(jié)構(gòu)中滿足對稱條件的桿件間的損傷識別,它是基于局部檢測的損傷識別方法,損傷識別的靈敏度高并可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷定位。(2)動靜結(jié)合法適用于

3、滿足對稱條件的多個梁式結(jié)構(gòu)間的損傷診斷,動靜結(jié)合法本質(zhì)上實施的是整體結(jié)構(gòu)的靜力檢測法,但動靜結(jié)合法依據(jù)動、靜參數(shù)的相關(guān)關(guān)系可以實現(xiàn)動力測試等代靜力檢測的效果,從而增強(qiáng)了靜力檢測法的實用性,其健康基準(zhǔn)是我國現(xiàn)行規(guī)范中結(jié)構(gòu)變形的限值。(3)樂音準(zhǔn)則法是一種基于結(jié)構(gòu)頻譜分布規(guī)律的損傷識別方法,此方法適用于均質(zhì)、規(guī)則結(jié)構(gòu)的損傷診斷。規(guī)則結(jié)構(gòu)的頻譜分布具有譜圖清晰、峰點分布呈梳齒狀的特征,類比樂音現(xiàn)象將這一頻譜特征定義為結(jié)構(gòu)的樂音準(zhǔn)則。樂音準(zhǔn)則即

4、為樂音準(zhǔn)則法的結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)。以上三種損傷新方法均具有嚴(yán)格的工程適用條件,無需復(fù)雜的反演計算,具備判別損傷的結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn),用于損傷識別的結(jié)構(gòu)參量具有較高的工程測試精度,因此這些方法具有良好的工程實用前景。
　　 2、對一個典型的梁式鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷相關(guān)的試驗研究。設(shè)計建造了一個8米長的鋼桁架結(jié)構(gòu),通過不同截面桿件的輪換可構(gòu)造出多種損傷工況。通過試驗獲取了鋼桁架結(jié)構(gòu)的剛度、固有頻率、阻尼、振型等基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。在參數(shù)識別的精度和可

5、靠性上,一階頻率和剛度明顯優(yōu)于其它參數(shù),并且二者的改變量與桁架的損傷程度單調(diào)對應(yīng),因此用其作為結(jié)構(gòu)損傷識別法研究的損傷標(biāo)識量。
　　 3、通過鋼桁架的動、靜力聯(lián)合試驗驗證了動靜結(jié)合法的有效性。通過桿件組合構(gòu)造了12個具有不同損傷的桁架結(jié)構(gòu)樣本,用試驗方法獲取了各樣本結(jié)構(gòu)的剛度和一階頻率,采用一元正態(tài)線性回歸的數(shù)學(xué)模型建立了代表剛度與一階固有頻率相關(guān)性的數(shù)值關(guān)系式。初步驗證了動靜結(jié)合法的有效性。
　　 4、對稱信號法的試驗

6、驗證及單裂縫損傷模式下兩端固支梁的固有頻率解析式推導(dǎo)。在鋼桁架上選取若干對稱桿件進(jìn)行了四種損傷工況的動力測試,試驗結(jié)果顯示對稱信號法能輕易地識別桿件的各類損傷,具有很高的靈敏度。采用一個質(zhì)量忽略不計的抗扭彈簧來模擬梁中的裂縫損傷,推導(dǎo)了單裂縫固支梁的頻率方程,并以鋼桁架損傷試驗中一根損傷桿為算例,驗證了該頻率方程的計算效果。
　　 5、通過三個鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)的損傷試驗驗證了樂音準(zhǔn)則法的有效性。用三個相同的鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗,通過

7、振動測試獲得了三個鋼殼的頻譜分布規(guī)律。無損的鋼殼結(jié)構(gòu)的頻譜具有譜圖清晰、峰點分布呈梳齒狀等特征,這與樂音準(zhǔn)則法中樂音準(zhǔn)則的特征相符。實施損傷識別時僅需將三個鋼殼的頻譜置于一個坐標(biāo)系下進(jìn)行對比即可輕易地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷。
　　 6、空間鋼網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)的工程健康診斷。結(jié)合兩個實際工程的健康檢測的實施過程,對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)健康診斷中的若干問題進(jìn)行了總結(jié)與分析。對于承載力存在問題的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用靜力加載法可以獲得滿意的健康診斷效果。振動檢測用于結(jié)