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基于应变模态分析理论的工程结构损伤识别方法研究

作　者: 赵常峰
导　师: 彭细荣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 土木工程
关键词: 斜拉桥 损伤识别 应变模态 脉冲响应函数
分类号: TU312.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


土木工程作为人类赖以生存与活动的基础,其安全性研究是一个永恒的课题。但工程结构本身的大尺度性与系统性使得对此类结构的安全检测与监控不可能像机械结构那样发展迅速。尽管如此,重大结构(如大跨桥梁、海洋钻井平台、大型体育场)的健康监测还是取得了一些成绩。目前对结构健康监测领域的结构损伤识别这一关键课题,学术界尚未达成共识。本文在总结已有工程经验与学术文献的基础上提出了基于应变类损伤指标的结构损伤识别方法,通过数值模拟的方式来进行工程结构的损伤识别研究。主要内容如下:(1)建立结构基于脉冲响应函数的损伤指标并用其对结构的损伤位置定位,首先提取在随机激励下一悬臂梁的应变响应数据,并以此构建应变类损伤指标对损伤的位置和程度进行识别,同时将其与位移类损伤指标进行比较分析;(2)建立基于应变模态振型的损伤指标并用其对简支梁的损伤位置定位与程度识别,首先分析对损伤比较敏感的模态阶次,然后利用这些模态阶次构建目标函数,最后通过ANSYS优化分析来达到损伤识别的目的;(3)运用两类应变类指标对一座斜拉桥拉索的损伤情况进行识别,首先采用第一种方法对损伤位置进行判断,再分析对损伤敏感的阶数,最后通过优化分析完成对损伤的具体位置定位与程度识别。研究结果表明:在利用基于脉冲响应函数的损伤指标进行结构损伤识别时,指标对小损伤的识别效果不是很理想,但损伤位置基本不会影响识别效果。在对大型结构进行损伤分析时宜先分析出对损伤敏感的模态阶次再构建目标函数进行结构优化,这样可减少数据处理量,节约资源,提高效率。同时当拉索发生单损伤和双损伤时,利用应变模态构建目标函数进行优化分析均可识别损伤的具体位置与损伤程度。本论文也提出了一套方法来进行结构损伤识别,对今后的桥梁结构健康监测具有参考价值。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 研究意义与背景  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9
  1.3 结构损伤识别方法  9-11
    1.3.1 基于结构振型变化的结构损伤识别方法  9
    1.3.2 基于曲率模态的结构损伤识别方法  9-10
    1.3.3 基于应变模态的结构损伤识别方法  10
    1.3.4 基于结构柔度矩阵的结构损伤识别方法  10-11
    1.3.5 基于结构模态应变能的结构损伤识别方法  11
    1.3.6 基于结构频响函数(FRF)的损伤诊断方法  11
    1.3.7 基于小波分析的结构损伤识别方法  11
  1.4 斜拉桥结构及拉索发展概述  11-13
  1.5 本文主要研究工作  13-14
第2章 基于应变测试的结构损伤指标  14-30
  2.1 自然激励技术理论  14-16
  2.2 悬臂梁损伤位置判断  16-29
    2.2.1 三处损伤识别  18-25
    2.2.2 两处损伤识别  25-27
    2.2.3 单损伤识别  27-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章 基于应变模态分析的识别方法研究  30-52
  3.1 无阻尼多自由系统实模态分析理论  30-32
    3.1.1 模态分析理论  30-32
    3.1.2 简支梁的模态分析  32
  3.2 结构优化理论  32-34
    3.2.1 设计变量的选取  33
    3.2.2 目标函数的选择  33
    3.2.3 约束条件的确定  33-34
  3.3 ANSYS 优化分析简介  34-35
  3.4 简支梁模型  35-51
    3.4.1 对单损伤位置进行损伤识别  36-40
    3.4.2 不同损伤程度对损伤识别的影响  40-42
    3.4.3 有两处损伤位置时的损伤识别研究  42-48
    3.4.4 有三处损伤时的损伤识别研究  48-51
  3.5 本章小结  51-52
第4章 斜拉桥拉索损伤识别研究  52-68
  4.1 斜拉桥拉索损伤现象及原因分析  52
  4.2 斜拉桥结构模型  52-55
    4.2.1 主梁模拟  52-53
    4.2.2 拉索的模拟  53-54
    4.2.3 塔的模拟  54-55
    4.2.4 支座与连接的模拟  55
  4.3 拉索损伤位置判断  55-57
  4.4 损伤定位及程度识别  57-67
    4.4.1 单索损伤识别  58-62
    4.4.2 不同损伤程度的识别  62
    4.4.3 两根索的损伤识别  62-67
  4.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-72
附录  72-79
致谢  79

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 结构理论、计算 > 结构荷载与结构承载力 > 结构破坏与事故分析
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