基于静力柔度灵敏度的网架结构损伤识别

采用模态参数来组集网架结构的柔度矩阵面临较多困难,如所需模态数量较多、测点数量有限和密集模态识别精度较低等．相比之下,基于静力测试的柔度矩阵具有测试精度较高、无截断误差的优点．文中提出一种基于静力柔度灵敏度、先定位后定量的网架结构损伤识别方法．首先,针对柔度灵敏度方程容易产生病态解的问题,构造一种奇异值贡献指标以合理截断柔度灵敏度矩阵的奇异值,从而提高解的精度．其次,结合前述奇异值截断策略,在不更新刚度矩阵的前提下,通过多次计算来逐步缩减疑似损伤杆件,从而降低未损杆件的干扰和实现损伤杆件的定位．最后,仅保留灵敏度矩阵中已定位损伤杆件对应的列,在迭代计算中不断更新刚度矩阵来进行损伤杆件的定量识别．以某网架结构为例进行数值分析．结果表明：提出的奇异值贡献指标具有明显的突变位置,可方便地指出灵敏度方程奇异值截断位置;提出的两步识别法在仅利用竖向自由度的情况下具有较好的抗噪能力,可有效定位和定量识别损伤杆件．     

基于高次广义柔度灵敏度的结构损伤识别

柔度矩阵可以由结构的低价模态近似计算获得,因此被广泛用于结构的模型修正和损伤识别中.由普通柔度派生而来的广义柔度,可以由低价模态数据更加精确的获得,且随着广义柔度次数的增高其精度越高,往往只需要第一或二阶模态数据即可获得很准确的高次广义柔度.因此,广义柔度灵敏度方法自提出以来受到广泛关注.论文详细研究了基于高次广义柔度灵敏度的损伤识别计算方法,研究中发现,利用广义柔度灵敏度进行损伤识别计算时,并非越高次的广义柔度其识别结果越准确,随着广义柔度次数的增加,损伤识别结果精度呈现出先提高但随后显著降低的趋势.究其原因在于,虽然随着广义柔度次数的增加,广义柔度本身的精度更高,但与之相应的灵敏度方程组系数矩阵的条件数却也显著增大了,即方程组的病态性反而更加严重了,这导致了基于高次广义柔度计算所得的损伤参数的精度反而不如低次广义柔度的情况.因此,论文的研究表明,工程中利用广义柔度进行模型修正或损伤识别时,一般采用一次广义柔度或二次广义柔度即可,且计算中为了克服方程组的病态性和数据噪声的不利影响,论文提出了一种反馈奇异值截断法,能够明显提高计算精度,获得较准确的识别结果.     

一种桁架结构损伤识别的柔度阵法

利用试验获得的一阶模态参数,提出了一种桁架结构损伤识别的柔度阵法,应用有限元方法柔度阵,建立结构振动特征方程,结构损伤后,引起柔度阵发生改变,从结构振动特征方程出发,对柔度矩阵做关于结构物理参数变化量的一阶泰勒展开,可以确定结构物理参数的变化量,识别结构损伤部位及损伤程度,通过一个桁架结构损伤识别的数值模拟证明了该方法的有效性。     

基于模态柔度曲率的砖石古塔损伤识别研究

损伤识别是结构性能评估的有效途径之一,砖石古塔的模态柔度曲率是进行损伤识别的有效参数之一。为研究古塔结构损伤机制与模态柔度曲率的关系,依据兴教寺窥基塔结构模型振动台试验及数值模拟结果,分析周期性荷载作用下塔体动力响应及破坏特征,建立了塔体损伤程度与模态参数的关系模型。结果表明,古塔结构开裂破坏后,刚度减小,模态柔度曲率增大;数值计算与试验测试所得加速度及频域响应规律一致,塔体模型结构试件的开裂损伤随加载工况增多而持续累积,加载前期损伤参数变化缓慢,而后保持稳定,试验及模拟所得塔体的破坏过程一致。因此,塔体模态柔度曲率变化与古塔结构损伤累积具有一致性,可用于有效可靠识别砖石古塔结构损伤识别。     

基于柔度矩阵曲率范数差的结构损伤识别方法

基于模态柔度矩阵曲率范数差构造了一种损伤识别新指标。首先对损伤前后柔度矩阵按列、行分别求两次曲率,再对曲率矩阵的列向量求2-范数差,得到2-范数下各节点的损伤定位指标值。根据梁式结构刚度和位移曲率的负相关关系,推导出准确定量损伤程度的理论表达式,对单损伤和相邻多损伤进行了损伤定量分析。基于串联弹簧原理,提出了等效损伤程度分析模型,建立了测点间梁单元局部损伤与全损伤之间的损伤程度对应关系。采用某三跨连续梁用作仿真算例,结合已有的均匀荷载面曲率差指标,并考虑多种损伤工况,对指标进行对比分析,结果表明该方法仅需低阶模态参数即可进行损伤检测,且具有较好的抗噪声能力。采用对比测点间梁单元局部损伤与全损伤工况基频的方法,验证了所提等效损伤程度计算方法的合理性。     

基于柔度的桁架结构损伤定位方法

建立了一种基于模态柔度的桁架结构损伤定位方法。从结构柔度矩阵与刚度矩阵的正交关系出发,将损伤结构在观测模态下的节点误差作为损伤定位的动力指纹,通过采用模态参数的一阶矩阵摄动技术,以近似解析的方式推导了本文方法的损伤定位原理。并且通过对一个典型桁架结构的数值模拟研究,验证了本文损伤定位方法的有效性和鲁棒性。研究结果表明,本文基于柔度的损伤定位方法能够在实际观测条件下,准确地识别桁架结构的损伤单元位置。     

振型归一化对梁结构柔度曲率损伤指标的影响

结构柔度矩阵需由质量矩阵归一化振型获得,而质量矩阵归一化振型难以直接测得,限制了柔度曲率类损伤指标的应用。为分析振型归一化方法对梁结构柔度曲率类损伤指标的影响,根据梁结构的刚度、弯矩和位移曲率的关系,建立了均布荷载作用下结构损伤前后位移曲率与损伤程度的理论表达式,实现定量分析均匀荷载面曲率结构损伤程度。提出P-范数振型归一化方法,通过均匀荷载面曲率指标推导了振型质量矩阵归一化系数差x_α与损伤程度的关系。以三跨连续梁算例对理论进行了验证,结果表明,损伤程度定量指标效果良好,不同P-范数振型归一化方法下,损伤程度的偏差可由2x_α估算;2-范数振型归一化方法的损伤识别结果与质量矩阵振型归一化结果最接近,故当无法获得质量矩阵归一化振型时,可采用2-范数归一化振型代替。     

基于不完备模态信息的结构损伤识别方法

针对结构损伤识别中的有限测点问题和测试噪声问题,提出一种基于模型修正法的损伤识别方法,仅利用结构的低阶频率和相应的不完备振型进行损伤识别。基于动力缩聚法构造参数化的振型扩展矩阵,解决振型不完备的问题,然后根据交叉模型交叉模态法CMCM(cross-model cross-mode)构造约束方程,并使用Hestenes-Powell增广拉格朗日乘子法求解约束优化问题,从而根据优化问题的最优解判断出损伤位置和损伤程度。在模态数据包含测试噪声的情况下,提出一种改进的CMCM方法,以减小测试噪声对损伤识别结果的影响。对一个25杆平面桁架进行数值仿真实验,结果表明,在3%的噪声水平下,仅需测得损伤结构的前5阶不完备模态,本文方法就能较准确地识别结构损伤。     

基于有限单元柔度法的材料与几何双重非线性空间梁柱单元

从有限单元柔度法的基本思想出发,基于完全拉格朗日格式(TL格式),建立了能考虑材料与几何双重非线性的一般化空间梁柱单元,适用于满足Euler-Bernoulli梁柱二阶分析理论假定的空间杆系结构非线性分析。另外,在梁柱单元截面分析中引入纤维模型,使其适用于解决钢筋混凝土这类复合材料结构的非线性分析问题。对钢筋混凝土双向偏心受压柱试验结果的模拟分析表明,本文所提方法是正确、可靠的,能有效地分析钢筋混凝土框架柱的材料与几何双重非线性问题。     

自由度缩聚的柔度损伤诊断法

为了提高结构在模型自由度缩聚情况下的损伤识别结果的精度,本文推导了基于改进Guyan缩聚法的结构振动方程式.通过求解振动特征方程,利用其特征值和特征向量构建结构缩聚后的柔度矩阵表达式,并引入结构缩聚后的柔度曲率矩阵差和柔度曲率矩阵变化率两个损伤指标,将引入的新损伤指标应用于平面桁架的损伤识别.研究表明:不管是单损伤还是多损伤,仅仅需要一阶模态参数,利用其引入的新损伤指标就可以精确地识别出损伤杆单元位置.即使在高强度噪音的影响下,也保证了其损伤识别结果的精确性.验证了本文基于改进的Guyan缩聚法推导出的损伤指标具有较好的损伤定位性能和较高的抗噪性能.     

基于损伤诱导矢量及元素位置矢量诊断结构损伤

通过引入损伤诱导矢量和元素位置矢量,作者构造一种采用模态测试数据诊断结构损伤的新方法。利用损伤诱导矢量能迅速排除无损伤元素,缩小识别范围。这里认为结构损伤是由一个或多个元素的损伤引起的,采用元素损伤矢量ｈ１＝（ａｉ,ｂｉ,ｃｉ）描述元素ｉ及损伤程度及类型。该方法构造简单,能大幅度降低计算量。文中以浅拱为例,给出各种损伤情况与下的诊断结果,以说明其有效性。     

Analyses on structural damage identification based on combined parameters

IntroductionServiceloads,environmentalandaccidentalactionsmaycausedamagetostructures .Whenthestructuraldamageissmalloritisintheinteriorofthestructure,itsdetectioncannotbedonevisually.Inspectionofexistingbuildingsandbridgesaftercatastrophicevents,suchasearthquakesandhurricanes,aswellasundernormaloperatingconditions ,isoftentimeconsumingandcostlybecausecriticalmembersandconnectionsareconcealedundercladdingandotherarchitecturaldecorations.Formanyimportantstructures,suchashospitals,firestations,mi…     

基于提高频率灵敏度的结构损伤统计识别方法

提出了一种基于反馈控制结构动力特性的损伤统计识别方法。该方法采用基于独立模态空间的反馈控制,有目的地配置闭环系统的极点,根据损伤前后闭环系统的特征值构造损伤指标。采用假设检验判断损伤是否发生,并剔除特征量中损伤程度的影响,采用统计模式识别方法识别损伤位置。Benchmark结构的数值算例表明,本文提出的损伤识别方法能够较显著地提高模态频率对刚度变化的灵敏度,准确有效地检测在噪声环境下结构小损伤是否发生以及识别损伤位置。     

利用振动模态测量值和神经网络方法的结构损伤识别研究

提出了一种基于模态测量参数和神经网络的结构损伤检测方法,建造了两种输入方式的BP神经网络,即自振频率以及结合自振频率与振型,并讨论了不同数量的输入信息对结构损伤检测精度和计算效率的影响。证明了输入的参数越多,神经网络就越聪明,训练的收敛速度越快;以及在保证一定的测量精度的情况下,基于频率与振型的损伤识别结果要好于基于频率的检测结果。最后,通过对3层框架模型的4种损伤工况下的结构损伤检测结果的分析,认为利用模态测量参数和神经网络方法能够准确地识别结构损伤的位置,而且能较精确地识别结构损伤的大小。     

Noise analysis for sensitivity-based structural damage detection

As vibration-based structural damage detection methods are easily affected by environmental noise, a new statistic-based noise analysis method is proposed together with the Monte Carlo technique to investigate the influence of experimental noise of modal data on sensitivity-based damage detection methods. Different from the commonly used random perturbation technique, the proposed technique is deduced directly by Moore-Penrose generalized inverse of the sensitivity matrix, which does not only make the analysis process more efficient but also can analyze the influence of noise on both frequencies and mode shapes for three commonly used sensitivity-based damage detection methods in a similar way. A one-story portal frame is adopted to evaluate the efficiency of the proposed noise analysis technique.     

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。