基于冲击振动的位移柔度和应变柔度识别方法

发布时间：2019-05-05 17:42

【摘要】：结构健康监测作为当前大型土木工程结构的安全保障系统,在对结构的正常服役状态、突发事件预警、性能劣化评估、养护管理决策等方面发挥了重要作用。本文主要研究了基于冲击的结构位移和应变柔度识别方法,论文的研究内容及创新点如下：(1)利用环境振动数据识别结构的非缩放位移柔度。木文比较了位移频响函数的三种不同计算方法,其中分别由冲击振动数据和脉冲响应函数计算的位移频响函数一致,都等于结构的理论位移频响函数,但与环境振动数据计算的位移频响函数在各阶模态分量处存在固定的幅值比,该幅值比由环境激励力的强度和环境频响函数识别的模态参数两部分组成,由环境频响函数可以计算结构的非缩放位移柔度,其与结构的真实位移柔度存在相同的幅值比。非缩放位移柔度具有实际意义,有助于工程技术人员了解结构的刚度分布和预测结构在静载下发生的相对变形。数值模拟和试验结构验证了基于环境振动数据识别结构的非缩放位移柔度方法的有效性。(2)结构在质量未知条件下的位移柔度识别。本文研究了位移柔度和位移频响函数的关系,发现位移频响函数在频率为零处的值等于结构的位移柔度系数,分别从实模态和复模态频响函数中推导位移柔度计算公式,其中由实模态推得的公式需要知道结构的质量归一化的位移振型,而由复模态推得的公式需要知道结构的模态缩放系数,采用模态参数识别算法一CMIF法识别结构的基本模态参数(固有频率、阻尼比和位移振型)、系统极点和模态缩放系数,将这些参数代入复模态柔度计算公式可以识别结构的位移柔度,实现在质量未知条件下识别结构的位移柔度,该方法具有较大的工程应用价值。采用实验室简支钢梁结构对CMIF法识别位移柔度进行验证,获得了良好的位移柔度识别结果。(3)长标距应变模态理论。本文推导了长标距应变模态的一系列理论公式,发现长标距应变频响函数和位移频响函数在表达式上具有相似性,但不具有位移频响函数的对称性,从长标距应变频响函数矩阵中除了可以识别结构的固有频率、阻尼比和系统极点外,还能用任意一列元素识别结构的应变振型,用任意一行元素识别结构的位移振型。根据长标距应变的特性,也可以用共轭梁法从应变振型中直接计算位移振型,在实际操作中可以减少试验工作量,提高试验效率。(4)结构在质量未知条件下的位移柔度和应变柔度融合识别。本文对识别位移柔度的CMIF法进行改进,实现了在不需要知道结构质量条件下识别应变柔度,通过比较位移柔度和应变柔度的计算公式,发现识别的应变模态参数也可以用于识别位移柔度,由此提出了通过一次性的应变模态分析实现结构位移柔度和应变柔度的融合识别方法,该方法在实际应用时能够加快试验进度,提高工作效率。采用复杂桥梁有限元模型和试验结构对融合识别方法进行验证,并分析了方法的模态阶段误差、鲁棒性和抗噪性以及传感器的稀疏布置方案,获得了良好的验证结果。(5)基于应变参数的损伤识别。本文研究了用识别的应变振型和应变柔度矩阵识别结构损伤,其中在简支钢梁试验结构的损伤识别研究中,分别采用位移振型和应变振型计算了振型差、振型曲率差和振型曲率平方差这三个损伤指标,发现基于位移的损伤指标不敏感,而基于应变的损伤指标很敏感,体现了应变在识别结构损伤方面的优越性。在复杂桥梁结构有限元模型的损伤识别研究中,除了以上三个指标外,还研究了应变柔度差、应变ULS曲率差这两个指标,总共五个指标均成功的识别出了模拟的损伤。由于本文进行的基于应变参数的损伤识别不需要知道结构质量,因而具有工程实用价值。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU317

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