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Rayleigh-Ritz算法的梁裂缝损伤识别及试验研究

结构动态特性的变化则预示结构出现损伤,基于Ritz线性近似,文中提出一种裂缝损伤识别的方法,用以识别结构裂缝损伤位置及损伤程度。该方法分两步：首先用模态子空间近似关系．消去模态应变能表达式中的整体刚度矩阵和整体质量矩阵,避免模型误差对识别结果的影响。再采用计算向量空间夹角的方法分离损伤位置与损伤程度的耦合影响,进而识别出单元裂缝损伤位置;其次,识别损伤程度采用二次线性规划方法,不再计算特征值灵敏度。线性约束条件保证了二次规划问题的解是唯一的。模拟筒支梁几种裂缝损伤情况进行数值计算与模态试验,利用所得模态参数对该算法程序进行了验证,识别出了裂缝损伤的确切位置及损伤程度,并进行了误差对比。结果表明,该算法由于不用整体结构的数值模型,从而避免了边界条件、连接条件及材料特性参数等因素对识别结果的干扰,识别精度得到提高,将其用于结构损伤识别是可行的。     

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。     

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。     

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．     

实心砖石古塔动力特性与结构损伤分析

为研究"丝绸之路"起点世界文化遗产建筑兴教寺测师塔的动力性能及结构损伤,采用超低频动态测试系统进行了原位动力测试试验.在环境随机激励下,采集了该塔各楼层顶部水平振动的速度响应信号,经滤波后通过积分变换进行自谱及互谱分析,得到了结构沿水平方向的前2阶自振频率与振型.并依据结构测绘结果,建立测师塔数值模型,计算了弹性模量逐渐降低时的振动特性,并与测试结果进行对比,依据结构损伤参数识别的改进形法,进行了测师塔结构损伤分析.结果表明,该塔沿东西与南北两个水平方向的前2阶频率值相近,第1阶振型呈弯曲型,第2阶振型呈弯剪型;与无损砌体弹性模量的取值比较,测师塔结构的等效弹性模量降低较多,其结构整体损伤较为严重.因此,可通过确定无损砌体的弹性模量,采用动力测试及数值计算依据等效弹性模量进行残损砖石古塔结构损伤识别.     

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。     

曲率模态及其在桁架桥梁损伤识别中应用

当前桥梁的安全性问题日益引起人们的广泛关注,对桥梁结构进行状态监测和安全评估成为众多学者的研究课题。在目前所采用的各种方法中,模态分析法的应用最为广泛,通过监测桥梁的模态参数即可获得其状态信息。通常在模态分析中所采用的参数如：固有频率、振型等参数,反映的都是结构的整体特性,难以用来确定故障位置,只有利用能够表征结构局部特性信息的模态参数曲率模态的变化,才能完成桥梁状态监测工作。本文以1：10钢桁架桥梁模型为研究对象,用有限元模型及实验模型进行局部损伤的识别,实验采用锤击法及变时基(VTB)技术对桥梁模型进行了模态分析。识别表明,通过曲率模态的变化可明显识别结构的损伤部位,取得了很好的识别效果。为今后桥梁结构损伤识别提供了一种可行的研究方法。     

空间钢支撑框架损伤诊断研究

为诊断空间钢支撑框架的损伤,提出了两阶段损伤诊断法.该方法综合了损伤定位向量法和特征灵敏度分析.推导了空间梁、柱和支撑单元的特征应力计算公式,定义了连接单元的特征应力,推导了模态参数差量对结构模型参数的一、二阶灵敏度和梁端连接损伤的梁单元刚度矩阵.完成了一个空间钢支撑框架模型损伤诊断试验,模拟了支撑损伤和连接损伤的7种损伤模式.采用力锤激励方式,使用特征系统实现算法识别模态参数;使用损伤定位向量法判定可能损伤单元,采用二阶特征灵敏度分析确定可能损伤单元的损伤程度.结果表明,当杆件或连接损伤达到一定程度时,两阶段损伤诊断法能有效诊断损伤.     

钢筋混凝土梁振动特性参数与损伤状况关系的数值仿真研究

基于分离式有限元理论,分别建立了存在钢筋混凝土局部松脱等多种形式损伤的钢筋混凝土梁横向弯曲振动力学模型,利用此模型能够计算各种损伤梁的固有频率等振动特性参数。对这些振动特性参数与各种损伤的状况之间的关系进行了数值仿真研究。提出固有频率可以作为钢筋混凝土梁损伤定性辨识的指标;针对不同的损伤形式,位移模态振型、曲率模态振型和剩余模态力向量是对局部损伤位置敏感的振动特性参数,可以利用敏感参数的绝对残差向量进行局部损伤的定位辨识;敏感参数绝对残差向量的范数与损伤程度具有良好的单调性关系,可以作为局部损伤定量辨识的指标。     

基于静力残余力向量的结构损伤评估方法

残余力向量法是一类常用的损伤识别方法,现有的残余力向量法都是基于动力测试的模态参数,和动力测试数据相比,静力测试数据往往精度更高,且无需模态分析等复杂操作.鉴于此,本文提出一种静力残余力向量法用于结构损伤评估.所提方法利用静力测试位移数据,并结合结构有限元模型的刚度矩阵,定义了静力残余力向量,根据该向量中不为零的元素来判断损伤自由度,再根据自由度和单元之间的对应关系来确定发生损伤的位置,并进一步提出一种求解损伤参数的代数解法.另外,针对实践中角位移难以测量的情况,进一步提出了一种静力缩聚残余力向量法,拓宽了所提方法的应用范围.以桁架结构和梁结构模型为例对所提方法进行了验证,数值算例结果说明所提方法合理有效.     

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。     

单桩的动刚度测试和数据处理方法的研究

依据地基动力特性测试规范（GB/T50269-97）,提出了测试桩基竖向动刚度的稳态-敲击激励综合试验法，应用实验模态分析技术识别了桩基的模态参数，成功地完成了陕西某热电厂试桩的动刚度测试。     

飞机典型金属材料振动疲劳历程中模态阻尼比获取方法研究

结构模态阻尼比是影响振动疲劳特性的主要因素,获取模态阻尼比对于结构振动疲劳的分析和仿真计算有重要作用,对于揭示金属材料振动疲劳损伤形成机理有直接意义。本文选取典型航空金属材料2024-O铝合金,进行了大量的元件级振动疲劳试验及仿真分析计算,并提出了一种基于有限元分析计算的振动疲劳历程中结构模态阻尼比的获取方法,适合于元件级结构振动疲劳过程中模态阻尼比变化规律的获取。研究结果表明:本文方法可以在不中断振动疲劳试验的情况下,得到较精确的振动疲劳历程中的模态阻尼比,从而为进一步揭示金属材料振动疲劳损伤形成机理提供了良好的基础。     

基于模态参数考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别

根据桥梁结构的实际工程特性,分析其边界条件变异、结构损伤及其参数变化,采用约束优化理论,建立以实测和理论模态参数误差平方和最小为目标函数的优化反演问题。基于矩阵摄动理论引入与结构动力方程对应的特征值和特征向量的一阶、二阶摄动量,将优化反演问题简化为非线性最小二乘法优化反演问题。针对桥梁结构边界条件对模态参数影响显著的实际情况,实施桥梁结构边界条件预识别,采用单元模态应变能方法预定位损伤,提出考虑边界条件变异的桥梁结构损伤识别具体流程。以一磁浮轨道梁方案为例,采用数值模拟进行边界条件变异及损伤的识别验证,结果表明:该方法能够有效识别边界条件的变异及构件损伤,识别参数的相对误差最大为12.48%,具有较高的识别精度。     

Lamb波理论及层合板冲击损伤的实验研究

从理论上分析了板中Lamb波信号的传播特性,并给出Lamb波在板中传播的频散方程。理论分析及实验均表明,Lamb波的频散特性与复合材料结构损伤有着直接的联系,而且最低阶的对称和反对称Lamb波模态对层合板的损伤比较敏感,但应用Lamb波的频散效应监测结构的损伤在检测技术上还难以实现。根据板中导波形成Lamb波的共振原理,板中应力波的幅频特性很大程度上反映了Lamb波的谐振特征。因此,利用压电元件的压电阻抗谱分析应力波的各阶模态频率及振幅对结构损伤的变化,能够反映材料内部损伤与Lamb波的频散特性。文中针对表面粘贴压电元件的层合板智能结构,建立了包含Lamb波谐振模式的压电阻抗计算模型。冲击损伤试件的实验表明,由于结构损伤的出现压电阻抗谱中的模态频率及其阻抗幅值等特征信息将发生变化。因此,引入应力波损伤因子可以对结构冲击损伤的存在和程度进行初步评价。该方法基于结构的机-电动态阻抗特性,不受结构的几何形状限制,测试用的压电元件成本低,方法简单可行,有望在智能结构的健康诊断方面获得应用。     

基于应变脉冲响应协方差的损伤识别方法研究

基于振动参数的结构损伤识别,是近年来土木工程的热点研究课题,振动参数包括频率、振型、频响函数、模态应变能、应变响应和加速度响应等,当结构损伤时,损伤位置附近将产生应力重分布,从而引起应变的变化,因此对比损伤前后的应变或者应变响应参数,可以用来识别结构损伤.提出了一种应变脉冲响应协方差参数,它是应变脉冲响应在时间区间上的能量积分;推导并证明了该参数是结构模态参数(频率,位移模态,应变模态,阻尼等)的函数,可用来表征结构状态.相比于传统的模态参数识别方法,可以保留更高阶的模态参数,而且避免了模态识别可能引起的误差;基于简支钢梁的多种损伤工况,研究和展示了该参数的特性,通过数值模拟发现,该参数能简单直观地判定损伤发生和识别损伤位置,无需建立结构分析模型,只需比较结构损伤前后的应变脉冲响应协方差参数即可;该参数简便易算,具有较好的抗噪性能,对结构损伤敏感,而且对结构刚度减少呈现一致变化特性,所以适合实际工程结构的健康监测和损伤识别.     

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。     

考虑面内破坏过程的含分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应

基于复合材料层合板一阶剪切理论，推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式；同时采用了Adams应交能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法，构造了相应的阻尼阵列式；为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象，建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析的分层分析模型和虚拟界面联接模型。在上述模型和理论基础上，采用了Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法，对含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了动力响应和破坏分析。通过算例，分别讨论了外载频率、分层位置，以及破坏过程的刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征的影响，得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

应用复模态参数识别结果修正结构动力模型

本文利用识别得的非完整复模态参数来修正结构动力模型,使修正模型在要求的频率范围内与测试的动力特性一致.在文中应用Jacobi变换来约束修正质量阵与刚度阵的带宽,使[M]与[K]保持原来带宽不变,并应用Kuhar动力凝聚及扩充“虚拟测点”的方法来解决实际测试中测点不足的矛盾,通过计算机仿真分析及试验模型的计算,证实修正效果良好,能适用于非比例阻尼情况.