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空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究

作　者: 金恩平
导　师: 王秀丽
学　校: 兰州理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 空间网格结构健康监测安全评价方法安全性控制传感器布置损伤识别权重系数
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 205次
引　用: 3次
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内容摘要

空间网格结构是一种新型结构体系,近三十年来在国内外得到迅速发展,愈来愈广泛地应用于各类公共建筑领域,成为国家或地区建筑科技进步水平高低的象征。然而,其兴盛背后也存在着安全隐患。许多工程事故分析表明,构建一套适宜于空间网格结构的安全性评价方法与标准,已经成为关注的焦点和亟待解决的课题。既有的结构安全性评价研究与应用成果多针对砖混结构、混凝土结构,空间网格结构尚处于起步阶段,很多方面有待于进一步深化研究。鉴于此,本文以国家自然科学基金项目《西北地区空间网壳-钢筋砼结构破坏机理及减震体系研究》(51068019)课题为依托,在分析空间网格结构损伤机理的基础上,通过理论分析、数值模拟和实例论证,对空间网格结构的损伤识别及其安全性评价方法进行了较为系统的研究。本文研究的主要内容如下:(1)通过对空间网格结构的结构特点、损伤类型与破坏形式的分析,给出了在役空间网格结构安全性控制的数学模型,以及在役空间网格结构安全性控制的主要对象、安全性控制参数与计算方法;(2)通过对既有传感器优化布置方法和空间网壳结构内力分布规律、结构损伤特征以及其结构健康监测工作方式分析,提出了适宜于空间网格结构传感器布置方法、损伤参数及其识别方法;(3)建立了空间网格结构不同类型构件截面积与结构荷载因子之间的计算模型,提出了确定此类结构杆件的权重计算方法,以及空间网格结构稳定性与结构构件(包括节点)之间权重分配方案和量化标准;(4)基于FUZZY数学综合评价原理,对既有模糊综合评价方法涉及的隶属函数和权重指标、综合评价数学模型、评判指标等问题的研究,结合空间网格结构特点,给出了空间网格结构的安全性评价程序、评价等级划分标准以及综合评价方法。研究结果表明:(1)在役空间网格结构的安全性评价,其结构荷载模型、荷载效应组合方式应按照现行结构设计规范执行,结构抗力模型可以主要考虑几何参数和计算模式因素的影响;(2)在役空间网格结构的安全性需要从结构杆件、节点、结构稳定性三个方面加以控制,以现行结构设计规范为标准进行验算,其中结构杆件(包括节点)可以用构件内力作为控制参数,结构稳定性可以用结构承载力为控制参数;(3)可以分别采用静态应变分析法和基于动能原理的有效节点法,对空间网格结构及杆件基于损伤识别的传感器布置进行优化; (4)可以采用结构杆件损伤前后应变差值确定空间网格结构杆单元的损伤位置与损伤程度;以连接域面积为变量,采用杆件内力变化差为损伤参数,识别杆件节点的损伤位置与损伤程度;以结构损伤前后的节点位移与结构承载力之积的比值作为损伤参数,识别结构整体的损伤程度;(5)在安装与使用过程中,结构监测系统的仪器设备应采取有效的防范措施;健康监测系统的智能化程度,传统检测方法和现代传感技术的综合利用,是提高结构损伤识别精度与安全性评价效果的基本方略。通过K6型单层网壳试验模型和甘肃省庆阳体育馆大型复杂网壳结构工程实例的系统监测与安全性评价,验证了本文针对空间网格结构提出的损伤识别方法及其安全性评价方法的简便性和有效性。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-39
  1.1 课题研究背景和意义  12-15
  1.2 主要概念  15-17
  1.3 空间网格结构损伤原因和破坏形式  17-20
    1.3.1 空间网格结构损伤原因  17-19
    1.3.2 空间网格结构损伤类型与破坏形式  19-20
  1.4 空间网格结构检测方法研究现状  20-30
    1.4.1 结构量测法  20-22
    1.4.2 结构监测法  22-30
  1.5 结构安全性评价方法研究现状  30-34
    1.5.1 结构安全性评价方法发展状况  30-32
    1.5.2 我国现有规范中的安全性评价方法  32-34
  1.6 结构健康监测技术应用与发展  34-37
  1.7 主要研究内容与创新点  37-39
第2章空间网格结构的安全性控制  39-65
  2.1 引言  39-40
  2.2 空间网格结构安全性控制模型  40-54
    2.2.1 结构荷载模型及其组合效应  41-50
    2.2.2 结构抗力模型  50-54
  2.3 空间网格结构构件安全性控制  54-60
    2.3.1 结构抗力系数确定  55-56
    2.3.2 空间网格结构杆件抗力计算  56-60
  2.4 在役空间网格结构稳定性控制  60-64
    2.4.1 结构稳定性控制指标  61
    2.4.2 在役空间网格结构最大承载力确定  61-64
  2.5 本章小结  64-65
第3章空间网格结构传感器布置方法  65-86
  3.1 引言  65-66
  3.2 几种既有传感器布置方法  66-70
    3.2.1 有效独立法  66-67
    3.2.2 模态保证标准  67
    3.2.3 模态动能法  67-68
    3.2.4 敏感性分析法  68-69
    3.2.5 动力响应分析法  69
    3.2.6 基于应变模态的布置方法  69-70
  3.3 空间网格结构杆件损伤识别的传感器布置方法  70-77
    3.3.1 静态应变分析法  71-72
    3.3.2 数值模拟  72-77
  3.4 空间网格结构整体损伤识别的传感器布置方法  77-83
    3.4.1 有效节点法基本原理与步骤  77-78
    3.4.2 数值模拟  78-83
  3.5 传感设备的安装与维护  83-84
  3.6 本章小结  84-86
第4章空间网格结构损伤参数的选择与识别  86-107
  4.1 引言  86-87
  4.2 空间网格结构杆件的损伤识别  87-97
    4.2.1 损伤参数的选择  87-90
    4.2.2 基于单元应变模态差的损伤识别方法  90-93
    4.2.3 数值模拟  93-97
  4.3 空间网格结构杆件节点损伤识别  97-102
    4.3.1 杆件节点损伤识别基本原理  97-100
    4.3.2 数值模拟  100-102
  4.4 空间网格结构整体损伤识别  102-106
    4.4.1 空间网格结构临界荷载的确定  103-105
    4.4.2 空间网格结构整体损伤识别方法  105-106
  4.5 本章小结  106-107
第5章空间网格结构各因子的权重系数  107-124
  5.1 引言  107-108
  5.2 确定权重系数的几种方法  108-112
    5.2.1 层次分析法  108-110
    5.2.2 主成分分析法  110-111
    5.2.3 失效单元判定法  111-112
  5.3 空间网格结构构件权重系数  112-121
    5.3.1 权重系数计算原理  112-113
    5.3.2 权重系数计算  113-121
  5.4 空间网格结构稳定性权重系数  121-122
  5.5 本章小结  122-124
第6章空间网格结构安全性评价方法  124-158
  6.1 引言  124
  6.2 FUZZY 综合评价理论  124-129
    6.2.1 FUZZY 综合评价数学模型  125-127
    6.2.2 FUZZY 综合评价方法存在的问题  127-129
  6.3 空间网格结构安全性综合评价  129-133
    6.3.1 结构安全性评价程序  129
    6.3.2 结构安全性评价等级  129-131
    6.3.3 结构安全性评价方法  131-133
  6.4 试验模型验证  133-141
    6.4.1 初始（无损）试验模型内力计算  134-137
    6.4.2 损伤试验模型的传感器布置  137-138
    6.4.3 杆单元损伤识别  138-139
    6.4.4 结构安全性评价  139-141
  6.5 工程实例评价  141-157
    6.5.1 初始结构设计验算  145-148
    6.5.2 结构施工阶段的质量控制与监测  148-152
    6.5.3 新建期间的结构监测与质量控制  152
    6.5.4 结构服役期间安全评价  152-157
  6.6 本章小结  157-158
结论与展望  158-161
  1. 课题研究工作及结论  158-159
  2. 展望  159-161
参考文献  161-171
致谢  171-172
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  172-173
附录B 攻读学位期间科研项目及相关成果  173

空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究

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