基于等效单元概念的梁结构损伤定位方法

研究目的是为梁结构提供一种基于等效单元概念的新损伤定位方法. 区分刚度损伤和质量损伤两种情况, 分别对连续梁和简支梁给出了具体的损伤定位方法. 利 用的具体指标是支座反力和跨中位移. 文中的新方法都可以得到以小区间表示的损伤位置结 果, 有效性得到了数值模拟算例和模型实验的验证.     

基于附加虚拟质量的结构损伤识别方法

针对大型土木结构的模态信息往往对局部损伤灵敏度较低的特点，提出通过在各个子结构上附加虚拟质量的方法提高局部灵敏度，实现整体结构的准确损伤识别。该方法无需在结构上布置真实质量，它首先利用虚拟变形法（VDM）可进行结构快速重分析的思想，由实测结构的激励和加速度响应，构造结构附加虚拟质量后虚拟结构的频率响应；然后结合灵敏度分析和附加质量与频率关系，确定所需附加质量和对应具有较高灵敏度的频率；最后分别在每个子结构上附加虚拟质量，联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速地识别出整体结构各个子结构的损伤。本文通过两层平面框架有限元模型验证了附加质量损伤识别方法的有效性。     

局部裂纹损伤简支梁的曲率模态特性

将裂缝损伤简化成矩形凹槽,采用delta函数表示简支梁的裂纹损伤位置,得到了全梁范围内截面转动惯量和单位长度质量的表达式,建立了局部裂缝损伤简支梁的横向自由振动方程.利用摄动方法给出了裂纹摄动项的一般表达式,根据摄动项和完整梁都同时满足边界条件的特点,将一阶和二阶摄动项都表示成完整梁模态的线性组合,结合delta函数的性质,最终获得了受损简支梁的特征值和模态振型的解析表达式.最后,通过数值计算得到结构模态参数,对比了一阶摄动和二阶摄动对计算结果的影响,分析了不同阶固有频率和模态曲率的变动量,为简支梁的损伤监控和检测提供了理论依据.     

大跨斜拉桥结构健康监测实验室模型试验平台

本文基于山东滨州黄河公路大桥,建立面向结构健康监测的实验室模型试验平台.基于相似理论,分析模型相关参数的相似关系,确定模型缩尺比、材料和截面尺寸,并对模型附加质量和斜拉索进行合理地简化.采用ANSYS建立物理模型的三维空间实体有限元数值分析模型,实体建模能较好的体现模型局部特征和模拟损伤.模型制作采用分段整体浇注,分段之间设计连接件连接,模拟斜拉桥施工顺序进行实验室组装,基于影响矩阵法对斜拉索进行张拉成桥.建立了包括传感器系统、静动力加载系统、数据采集系统和数据处理四大部分的完整试验体系,并对隔离出的桥塔和桥面板子结构进行了静动力试验,对全桥模型进行了动力测试.子结构和全桥模型的试验结果与有限元计算结果,以及原桥实测值都吻合较好,验证了斜拉桥模型的准确性和试验平台的有效性.试验系统的建立,为结构健康监测技术提供了一个试验研究平台.     

基于线性多点逼近方法的结构局部非线性损伤识别

结构损伤通常伴随一定的非线性响应特征,当非线性特征较为明显时,单纯的有限元更新方法无法克服本身所固有的非线性特征的限制,在动力特性测试中也存在许多困难.本文研究时域内损伤识别方法,将局部非线性结构损伤等效为一个的附加子结构,基于线性多点逼近方法,将一个非线性损伤识别问题转化为作用于线性模型的载荷识别问题.通过结构非线性响应识别出等效附加力的时间历程,利用附加子结构的输入输出特性识别实际结构的单元损伤特性.在所提出的识别方法理论算法基础上,对单元刚度线性损伤和非线性损伤形式进行了数值模拟,算例显示这种方法的有效性.     

基于单弹簧联结单元法的钢筋混凝土梁损伤模拟

钢筋混凝土梁的损伤模拟的重难点在于描述两种材料非线性的本构关系以及钢筋混凝土粘结滑移关系非线性,然而合理准确地模拟钢筋混凝土的组合结构的受力变化对于研究结构的稳定性具有重要的意义.论文采用单弹簧联结单元法模拟钢筋和混凝土相互作用,不仅使得钢筋混凝土法向不发生渗透,提高了计算的收敛性而且适用于钢筋任意布置的形式;结合适用于多轴应力状态下的混凝土四参数损伤模型,模拟了钢筋混凝土结构从开始加载到结构破坏的全过程,细致地描述了钢筋混凝土梁受力过程中截面内力和位移的变化情况,以及因混凝土材料破坏造成的构件承载力下降等现象.三点弯曲梁和四点弯曲梁损伤的数值算例体现了该方法的有效性,该方法具有重要的工程实践意义.     

混凝土的一种标量损伤弹塑性本构模型

荷载作用下材料性能的劣化是混凝土结构的微观损伤机理,其宏观表现为结构刚度的折减和承载力的降低。论文推导了基于不可逆热力学过程的弹塑性标量损伤本构,给出时间离散的屈服准则。采用基于向后Euler法的应力更新算法——两步图形返回的最近点投影法,推导了满足迭代结果收敛假设的塑性参数及算法刚度张量,给出了空间梁单元本构积分算法的Jacobi矩阵。将模型用于混凝土简支梁的承载力试验模拟,与计算数据对比表明了模型和算法的合理性和有效性。     

抗震加固用消能减震结构的弹塑性时程分析研究

对用于抗震加固的消能减震结构进行了弹塑性时程分析研究,主要解决以下几个问题:确定结构的振动模型;质量矩阵和阻尼矩阵的处理;确定结构或构件在反复荷载下的力-位移关系,或恢复力特性;附加阻尼矩阵及附加刚度矩阵;阻尼器的优化布置等.提出了简化优化设计法,针对加固工程,确定控制函数.最后给出了四层混凝土框架加固工程实例分析.     

高周疲劳各向异性损伤问题研究

引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题，并采用微结构力学模型建立了各向异性疲劳损伤本构关系与附加力-有限元解法，以损伤划分步长预估了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命．用这一方法预估30CrMnSiNi2A材料含缺口圆棒试件全寿命．结果表明，理论S—N曲线与试验S—N曲线吻合良好．该方法所需机时较少，可用于工程实际构件的疲劳寿命预估及抗疲劳优化设计．     

砌体结构长脉宽爆炸荷载损伤等级评估方法

随着百千吨级当量爆炸工业事故的频繁发生,建筑结构的损伤评估和抗爆安全性更受到关注。目前,构件级的评估方法相对成熟,而大当量冲击波作用下的建筑结构整体毁伤评估依旧是个开放性问题。本文中,面向结构级的毁伤评估,提出了一种新的评估方法?构件损伤加权。该方法以承重构件损伤程度为基础,通过基于应变能的构件权系数加权,进而评估结构级损伤破坏程度。为了验证评估方法的有效性,以典型砌体结构为例,利用自主研发的冲击波结构毁伤模拟有限元程序,开展了百毫秒脉宽爆炸冲击波荷载下结构动力学响应数值模拟。根据数值模拟结果,结合构件损伤加权的评估方法,获取砌体结构损伤等级与冲击波超压的关系。预测的超压值的相对误差为?16.9%～26.2%,验证了评估方法的有效性。该评估方法为获取砌体结构的超压-冲量曲线提供了可行的途径,可为结构的抗爆安全设计提供参考。     

随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

Wavelet packet based damage identification of beam structures

Most of vibration-based damage detection methods require the modal properties that are obtained from measured signals through the system identification techniques. However, the modal properties such as natural frequencies and mode shapes are not such a good sensitive indication of structural damage. The wavelet packet transform (WPT) is a mathematical tool that has a special advantage over the traditional Fourier transform in analyzing non-stationary signals. It adopts redundant basis functions and hence can provide an arbitrary time-frequency resolution. In this study, a damage detection index called wavelet packet energy rate index (WPERI), is proposed for the damage detection of beam structures. The measured dynamic signals are decomposed into the wavelet packet components and the wavelet energy rate index is computed to indicate the structural damage. The proposed damage identification method is firstly illustrated with a simulated simply supported beam and the identified damage is satisfactory with assumed damage. Afterward, the method is applied to the tested steel beams with three damage scenarios in the laboratory. Despite the noise is present for real measurement data, the identified damage pattern is comparable with the tests. Both simulated and experimental studies demonstrated that the WPT-based energy rate index is a good candidate index that is sensitive to structural local damage.     

均质简支梁简化为单自由度系统条件研究

简支梁是土木工程中的常见结构形式，工程计算中常将其简化为单自由度系统进行初步分析和计算．本文系统地讨论了简谐荷载作用下将简支梁简化为单自由度系统进行竖向位移计算的限定条件．对限定条件分析发现将梁上质量的一半集中到梁跨中处所得近似结果精度最好．给出公式可以通过单自由度系统的位移得到梁上任意点处的竖向位移．本文对结构力学教材中的集中质量法进行了进一步的分析和讨论，给出的近似计算公式对土木工程中简支梁在简谐力作用下竖向位移的快速估算具有一定的参考价值．     

基于位移响应协方差参数的数值仿真和实测损伤识别研究

本文使用结构位移响应协方差参数进行结构损伤识别，首先推导和建立位移响应协方差参数的解析公式，它是结构频率、振型和阻尼等模态参数的函数，结构物理参数的改变会导致该协方差参数的改变；对一个七层框架结构进行数值模拟分析来演示该方法的有效性，通过比较结构不同状态下各单元位移响应协方差参数CoD的分布曲线，研究各单元CoD与损伤程度的关系曲线，发现损伤位置处的CoD改变最大，其次是对称和附近单元，通过单损伤和多损伤工况研究分析，表明基于结构损伤前后CoD的改变，能成功判定损伤发生和识别出损伤位置，最后把该方法应用于一个实验室简支钢梁的损伤识别，通过对锤击振动下的加速度响应进行二次积分得到位移响应，并比较钢梁损伤前后的CoD，得到损伤概率向量，成功识别出损伤位置。该方法具有较好的噪声鲁棒性，无需结构分析模型，计算简便，具有较好的工程应用性。     

基于均匀荷载面曲率的简支裂纹梁损伤识别

为了采用模态参数对结构裂纹进行定位与定量,基于集中柔度模型,采用无质量的扭转弹簧模拟裂纹,建立简支裂纹梁的振动微分方程。针对现有柔度曲率指标仅能判断裂纹的大致范围,基于线性插值理论,建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系,提出裂纹进一步定位公式,实现裂纹位置的精确定位。针对现有大多数损伤识别方法无法实现裂纹的损伤定量,基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系,理论推导了均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法,基于弹簧串联原理和线刚度思想,首次提出串联等效线刚度模型,建立裂纹深度与均匀荷载面曲率的关系,实现裂纹深度的定量。通过简支裂纹梁数值算例,考虑多裂纹的损伤情况,验证了新方法对裂纹定位与定量的有效性。     

SIMULATION OF THE INTERFACED STRUCTURAL COMPONENT BASED ON A MULTIPLE-TIME-SCALE ALGORITHM

A multiple-time-scale algorithm is developed to numerically simulate certain structural components in civil structures where local defects inevitably exist. Spatially, the size of local defects is relatively small compared to the structural scale. Different length scales should be adopted considering the efficiency and computational cost. In the principle of physics, different length scales are stipulated to correspond to different time scales. This concept lays the foundation of the framework for this multiple-time-scale algorithm. A multiple-time-scale algorithm, which involves different time steps for different regions, while enforcing the compatibility of displacement, force and stress fields across the interface, is proposed. Furthermore, a defected beam component is studied as a numerical sample. The structural component is divided into two regions： a coarse one and a fine one; a micro-defect exists in the fine region and the finite element sizes of the two regions are diametrically different. Correspondingly, two different time steps are adopted. With dynamic load applied to the beam, stress and displacement distribution of the defected beam is investigated from the global and local perspectives. The numerical sample reflects that the proposed algorithm is physically rational and computationally efficient in the potential damage simulation of civil structures.     

基于实测挠度、转角和曲率的细长梁分段抗弯刚度识别研究

静载试验是获得结构真卖特性的重要方法和途径，具有直观、可靠的特点。本文基于静载试验实测的挠度、转角和曲率，建立目标函数，通过优化的方法，实现结构分段截面抗弯刚度参数的识别。研究了优化目标函数的建立、优化算法的选取与实现；通过数值算例和一片简支梁静载试验实例分析，对方法的正确性与可行性进行了验证，所得结果可用于结构损伤识别和安全性能评估。     

基于车桥耦合理论的梁式桥阻尼比识别研究

提出一种基于车桥耦合动力学理论的梁式桥阻尼比识别方法. 首先按照动力学理论将测试车设计为单自由度体系, 然后利用安装在测试车上的传感器采集信号, 从测试车与桥梁接触点响应信号中得到梁式桥响应的信号, 基于车桥耦合动力学原理滤波处理得到包含梁式桥第一阶频率的信号, 最后假定梁式桥阻尼比值, 通过假定的梁式桥阻尼比值获取假定的梁式桥第一阶振型, 不断循环直至假定的阻尼比值下计算的第一阶振型最大值点居中, 即为识别的梁式桥真实阻尼比. 本文首先从车桥耦合动力学理论推导上说明了该方法的可行性, 然后考虑在不同车速与非恒定车速、路面粗糙度、环境噪音等影响因素下进行车桥耦合动力学模型分析, 最后通过实桥试验进行了初步验证. 研究结果表明: 该方法能一定程度上克服外界不利因素的影响, 达到识别梁式桥阻尼比的目的, 为识别梁式桥阻尼比提供一种更优方法, 其具有参数设置较少、操作简单方便以及更高测试精度等优点, 同时有助于推动基于车桥耦合的车桥耦合动力学理论技术在梁式桥模态参数识别工作中的实际工程应用.      

Natural frequencies of thin,rectangular plates with holes or orthotropic “patches” carrying an elastically mounted mass

The approximate solution for the title problem is obtained in the case of simply supported and clamped rectangular plates made of isotropic or orthotropic materials. A variational approach (the well known Rayleigh–Ritz method) is used, where the displacement amplitude is expressed in terms of beam functions. This means that each coordinate function satisfies identically all the boundary conditions at the outer edge of the plate. Free vibration analysis has been performed on various different cases; solid isotropic and orthotropic plates, orthotropic plates with a hole and isotropic plates with an orthotropic inclusion or “patch”, carrying an elastically mounted concentrated mass. It is important to point out that the case of an orthotropic patch is interesting from a technological viewpoint since it constitutes a model of a repair implemented on the virgin structural element when it has suffered damage. This approach has been implemented by the aeronautical industry in some instances. The obtained results are in very good agreement with those of particular cases of simply supported plates available in the literature.     

环境温度影响下基于支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的结构稀疏损伤识别

结构处于自然环境中常会受到环境温度变化的影响,引起实测动力响应出现较大误差,进一步影响对结构健康状况的判定.另外,基于优化算法的损伤识别在反演损伤位置及量化损伤程度时,易出现局部最优解,且计算效率低下.针对以上难题,本文提出一种结合支持向量机与强化飞蛾扑火优化算法的损伤识别方法,用于对环境温度影响下的结构稀疏损伤进行识...