桿件軸力識別技術(shù)的理論探討與試驗研究.pdf

1、近年來我國經(jīng)濟高速發(fā)展，由于大跨度空間及橋梁結(jié)構(gòu)形式簡單、外觀優(yōu)美、受力明確、易于組裝等優(yōu)點，被越來越多應(yīng)用在祖國建設(shè)的各個角落。這些結(jié)構(gòu)的共同特點是主要承載構(gòu)件為桿系結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)架中的空心桿、懸索橋中的索桿等。對桿系結(jié)構(gòu)中桿件承受的軸力進(jìn)行實時監(jiān)測是保障結(jié)構(gòu)安全及生命財產(chǎn)不可或缺的手段?，F(xiàn)有的液壓表法、磁通量法、頻率法等雖然在一定條件下能識別出桿件的軸力，但卻受桿件長度、邊界約束及截面形式等因素的限制不能適用于短桿及高頻振動桿件的軸力

2、監(jiān)測。近幾年Timoshenko梁理論被應(yīng)用到桿件軸力識別中，不僅提高了桿件軸力識別的精度還擴大了其適用范圍，引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。但前人基本上是在試驗室對簡單薄板進(jìn)行理論驗證研究，未能考慮到經(jīng)典Timoshenko梁理論中第二頻譜的影響，也未能將該方法應(yīng)用于實際工程結(jié)構(gòu)。因此，本文探討了修正Timoshenko梁理論中的修正系數(shù)等問題，并在空心方桿、圓桿以及桁架等實際工程構(gòu)件和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行軸力識別方法的試驗研究。
　　本研究主

3、要內(nèi)容包括：⑴在經(jīng)典Timoshenko梁理論（由Reissner能量法導(dǎo)出）基礎(chǔ)上推導(dǎo)了修正Timoshenko梁理論的偏微分振動方程。研究了經(jīng)典及修正Timoshenko梁理論的速度系，以及波在桿中傳播的速度與波數(shù)的關(guān)系，得出了波速在梁桿中隨著波數(shù)的增加逐漸增加到剪切波速傳播的結(jié)論；又從波數(shù)與頻率關(guān)系的角度進(jìn)行研究，得出了波數(shù)隨圓頻率的增大而逐漸增加的結(jié)論，從而間接地確定了波速與圓頻率的關(guān)系。⑵利用Hamilton原理推導(dǎo)了軸力作用

4、下修正Timoshenko梁單元的一致質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和外力矩陣，并推導(dǎo)了基于修正Timoshenko梁理論的軸力識別方程，其突出優(yōu)點為不受構(gòu)件復(fù)雜邊界條件的影響。模擬了矩形截面桿件在軸力作用下的自由振動響應(yīng)，利用頻率與模態(tài)信息識別其軸力。結(jié)果表明：應(yīng)用含有改進(jìn)修正系數(shù)η的修正Timoshenko梁理論、新的梁單元及軸力識別方程，能取得較好的軸力識別精度。⑶在新推導(dǎo)的修正Timoshenko梁梁單元及軸力識別方程的基礎(chǔ)上，分別研究了圓

5、截面、空心圓截面及空心方截面桿件的軸力識別，主要考慮了模態(tài)參數(shù)階次、傳感器位置、桿件長度、桿件截面大小及截面剪切變形系數(shù)等對其軸力識別精度的影響，對軸力識別過程中出現(xiàn)的多值性問題提出了相應(yīng)的解決方案。然后在MTS試驗機上對數(shù)值模擬中的三種截面桿件進(jìn)行模態(tài)分析及軸力識別，驗證了該方法的有效性。⑷對一兩榀空心鋼桁架開展了多次試驗研究，并通過將試驗結(jié)果與光纖傳感器、應(yīng)變片傳感器的測量結(jié)果作比較，驗證了該方法的準(zhǔn)確性及在工程實際中應(yīng)用的可行性。