基于振动台实验的结构损伤识别研究

选择美国加州大学圣地亚哥分校7层钢筋混凝土剪力墙足尺结构振动台实验,开展结构损伤识别研究,实验采用白噪声、环境振动和不同强度的地震动交替激发,记录地震动激发实验前后的结构反应。基于该记录计算和对比自振频率和振型曲率的变化、剪切波走时及其变化和结构层间位移角,分析发现一层和二层振型曲率较大,走时较长,走时变化也较大,现场检查发现一层和二层的破坏也较为严重,这些参数可用于识别结构损伤程度和定位损伤位置,而自振频率和层间位移角变化仅可反映出结构损伤程度,难以揭示结构损伤位置。     

基于类柔度差曲率和频率摄动的结构损伤识别

为提高梁式结构损伤诊断的效率,提出一种基于类柔度差曲率和频率摄动的结构损伤识别方法。首先根据结构振动理论,研究广义柔度矩阵计算公式;再利用模态柔度对结构损伤灵敏性高的优点,改进基于柔度差曲率的损伤定位指标,定义类柔度差曲率LCFC损伤指标,并初步识别损伤;最后基于矩阵摄动进行结构损伤识别结果确认。考虑多种损伤工况,对一简支梁结构进行损伤识别数值模拟验证。结果表明:仅使用一阶模态,建立的类柔度差曲率LCFC指标对梁式结构损伤定位具有良好的诊断效果,且计算工作量小;对于含边界损伤单元的多损伤工况,当损伤程度大于10%时,LCFC指标识别有效;当损伤程度不大于25%时,各工况二阶摄动识别结果精度较高,相对误差较一阶摄动结果明显降低,证明了该方法的实用性、有效性和精确性。     

基于振型加权模态柔度的梁桥损伤识别方法

为了采用结构柔度矩阵进行损伤识别,由均匀荷载面曲率差指标推导出一种加权柔度矩阵指标构造方法,权值分别取振型、振型曲率和、振型曲率符号函数构造出三个新的损伤指标。基于结构损伤前后指标的相对变化及节点损伤程度和单元损伤程度的关系,提出了指标的结构损伤程度计算方法。采用一简支梁和一三跨连续梁算例,考虑多种损伤情况,与均匀荷载面曲率差指标进行了对比分析,表明振型曲率符号函数加权损伤指标仅需前几阶模态便能进行损伤检测,具有良好的损伤定位能力,并能准确识别损伤程度。     

基于不同结构损伤模型的RC框架地震易损性研究

针对目前RC框架结构地震易损性分析中整体损伤模型研究的薄弱性以及广泛采用的层间位移角方法不能准确反应结构在地震作用下损伤机理的现状,本文基于现有损伤模型的对比分析,提出了一种较准确反映地震破坏机理同时便于应用的最大变形和滞回耗能非线性组合的双参数损伤模型。以8层RC框架结构为例,进行50条地震波作用下的结构增量动力分析,分别绘制了变形和能量2种单参数模型以及牛荻涛模型和本文模型两种双参数模型的结构损伤曲线与易损性曲线,并进行了模型的对比分析和检验评估。分析结果表明:仅以层间位移角作为结构整体损伤指标会高估结构的抗倒塌性能,仅以能量作为结构整体损伤指标会低估结构损伤的超越概率。本文模型能较好地平衡最大变形和累积损伤对结构损伤的影响程度。     

基于曲率模态曲线的结构损伤识别方法

采用曲率模态对简支梁的单处和多处损伤进行了识别研究。首先用ANSYS有限元程序建立模型,并计算得到了位移模态振型;针对噪声下具有不同损伤状况的结构,进行了曲率模态分析,通过曲率模态曲线的畸变定位损伤位置,然后利用最小二乘拟合法计算了损伤处的有效面积,并估计了其损伤程度。数值分析表明:曲率模态对结构的损伤较敏感,它无需原始结构的模态参数,仅需低阶模态信息便可准确方便的识别结构的损伤位置,识别过程中在引入随机误差情况下各指标识别效果的比较结果表明,所提方法能有效估计损伤程度,可为今后结构损伤识别提供参考。     

钢筋混凝土框架结构地震损伤的识别与试验分析

通过单层及多层钢筋混凝土框架模型的地震损伤模拟试验，揭示了钢筋混凝土结构地震损伤与动力特性变化的关系；概据损伤力学方法，建立了利用可识别参数的地震损伤模型；提出了结构损伤状态参数的识别方法和以上此为基础估计结构地震损伤的方法，从而为钢筋混凝土框架结构的震后损伤识别和修得加固提供了理论依据。     

基于柔度矩阵法的钢栈桥损伤识别

根据以往模态柔度损伤指标的研究成果,建立了模态柔度差曲率和模态柔度曲率差这2种结构损伤识别指标。通过对一个百米钢栈桥最容易发生损伤的下弦梁进行各种损伤工况下的数值模拟研究,比较分析了这2种结构损伤指标的损伤识别效果。并且在钢栈桥2根下弦梁都有损伤的情况下,对两者之间损伤识别效果的相互影响进行了研究。研究结果表明,本文提出的2种损伤识别指标,对空间复杂钢栈桥的易损下弦梁都有很好的损伤识别效果,2根下弦梁的损伤识别具有较好的独立性。     

钢框架结构的地震损伤研究

基于预定损伤法对钢框架构件主要设计参数进行损伤敏感度分析,研究主要设计参数与钢框架结构梁、柱损伤的关系;揭示钢框架结构梁、柱的损伤及梁、柱线刚度比、结构高宽比、柱轴压比、锈蚀率对楼层损伤的影响规律;获得楼层的损伤与整体结构损伤的关系,最终建立钢框架结构的损伤演化模型。研究成果可为建立地震激励下钢框架结构的损伤模型提供理论基础和数据支持。     

基于结构动态响应统计特征的损伤指标研究

为了提高土木工程结构损伤识别的可靠性和有效性,本文提出一种基于结构动态响应统计特征的损伤指标,并对其可行性进行研究。文中首先在结构随机振动理论基础上推导出结构动态响应（包括位移、速度和加速度）的统计特征（包括均值和方差）与结构损伤位置和损伤程度之间的关系;然后通过敏感性分析确定以结构位移的方差作为结构损伤识别的损伤指标;最后,数值模拟-六层钢筋混凝土框架结构在白噪声激励下的动态响应,观察在不同损伤位置和损伤程度下结构动态位移方差的变化,从而对选择结构位移的方差作为损伤指标的可行性进行评估。研究得出结论,使用结构动态响应的统计特征作为土木工程结构损伤识别的损伤指标是可行的。     

基于损伤部位向量法的钢框架损伤识别研究

对损伤部位向量(DLV)法作了简单介绍,并用该方法对钢框架进行了损伤识别和损伤定位。该方法假定结构损伤前后为线性,对结构损伤前后柔度矩阵差进行奇异值分解,将奇异值为零所对应的向量,作为静荷载施加在无损结构的测点位置,则应力为零的单元为可能损伤的单元。对3种不同工况的钢框架进行了振动模态试验,用前3阶模态参数构造框架的柔度矩阵,按照DLV法对其进行了损伤识别,识别结果与已知损伤情况相一致。从测试自由度不完备、噪声和振型质量归一化系数这3个方面对识别效果进行了分析,结果表明:当损伤使结构动力特性有微小改变时,使用该方法不易定位损伤,应结合局部损伤识别方法进行判定;当损伤使结构动力特性有较大改变时,该方法能有效识别损伤的单元。DLV方法概念简单,理论明确,不受结构类型的限制,不需要结构的数学模型和模型缩聚或扩展技术,只需获得结构损伤前后的前几个低阶模态参数,即可识别结构一处或多处损伤,实际应用时可操作性强。     

曲率模态小波法用于网壳结构损伤的识别和定位

工程结构损伤的识别与定位研究以往主要针对梁、框架等结构形式,根据大跨度空间结构杆件和节点繁多等特点,提出用曲率模态和小波混合方法对空间结构的损伤进行识别和定位.以跨度100 m的Schwedler网壳结构损伤前、后的曲率模态作为标识量,分别通过离散和连续小波变换,判断网壳结构有无损伤和损伤位置,统计了小波系数差与结构损伤的图形关系,计算了各种损伤工况下该方法判断损伤的准确程度.结果发现基于曲率模态和小波方法的大跨度网壳结构损伤定位精度很高,充分证明该方法对此类结构损伤定位具有有效性和实用性.     

基于多项式拟合均匀荷载面曲率曲线的结构损伤识别方法

为仅利用结构损伤状态的柔度矩阵对结构进行损伤程度识别,先对损伤状态的均匀荷载面曲率曲线进行最小二乘法拟合。根据曲率曲线差判断结构的损伤位置,对损伤位置的点进行剔除后,再利用未损伤位置上的点进行局部最小二乘法拟合,代替损伤前的均匀荷载面曲率曲线,用于结构的损伤定位与定量。通过一简支梁数值算例,先以理论的二次多项式进行拟合,考虑单损伤和多损伤的情况,进行损伤识别分析,再分析多项式次数、测点数目以及不同噪声水平对损伤定量精度的影响。结果表明:在一定范围内,次数越高拟合误差越小,但差别不明显,采用理论的二次多项式拟合即可满足结构损伤识别要求,无噪声的情况下,测点数目减半不影响损伤识别的精度,该方法具有一定的抗噪声能力。     

一种动静结合的框架结构损伤识别方法

为了改进对框架结构损伤的识别效果,在动态和静态损伤识别指标的基础之上,提出了将动态一阶应变差与静态单元相关系数相乘的动静相结合的损伤识别新指标。新指标具有动态法和静态法的优点,一定程度上对动态识别效果与静态识别效果进行叠加,较单独使用动态指标和静态指标更准确、更具优势。对一个4层框架结构的单处损伤和多处损伤进行了数值模拟,并分别使用动态、静态和动静结合的3种指标进行了损伤识别效果的比较,验证了新指标更具优越性。     

基于结构动力特征的小损伤识别方法研究

为了获取基于结构动力特征的小损伤识别方法,组织实施了钢直管、钢壳及5层钢框架结构的损伤识别试验。试验结果表明,以"频率比"作为结构损伤诊断指标对于识别均匀、规整的一维(杆、索)、二维(板、壳)以及三维钢框架结构的损伤十分敏感;该指标对识别钢直管纵向大损伤及3mm横向切口的小损伤;对钢壳径向损伤及环向损伤,对5层钢框架结构的节点螺栓脱落损伤均敏感有效。     

基于推覆分析的钢框架结构地震倒塌判别准则研究

结构地震倒塌判别准则是工程结构强震分析的关键问题。在层损伤模型的基础上,建立了基于推覆分析的建筑结构整体损伤模型,并以国内某2层2跨平面钢框架结构拟静力试验为背景,应用有限元程序ABAQUS对平面钢框架进行了强震倒塌数值模拟。分析了钢框架结构的倒塌破坏过程,基于建议地震倒塌判别准则研究了钢框架结构的损伤演化规律。结果表明:钢框架结构在强震作用下的损伤发展顺序与塑性发展顺序一致;基于推覆分析的结构整体损伤模型能较好的体现强震作用下钢框架结构的损伤演化规律,且在上下界处收敛;强震作用下,钢框架结构的初始损伤主要由结构的残余侧移引起,而后期损伤主要由结构的承载力和刚度退化引起。     

某海底沉管隧道风塔及下部结构抗震性能分析

为研究某海底隧道风塔及下部结构体系在塑性阶段的损伤破坏形态及特点,探讨在多重荷载作用下弹塑性静动力响应对结构的影响,建立了沉管隧道风塔及下部结构的大型三维有限元模型。采用基于能量原理的混凝土塑性及损伤本构模型,借助大型有限元软件ANSYS及ABAQUS分别对结构进行不同地震条件下的动力时程分析,对比分析振型、层间位移角及较为完整的塑性损伤破坏系数曲线。结果表明:不同设防地震下,结构整体性良好,振型及层间位移角满足规范要求;不同罕遇地震下,该结构的混凝土塑性拉压损伤最大时刻均发生在20 s,主要破坏区域在风塔与人防井及下部立柱的接触位置,且拉伸破坏系数明显高于压缩破坏。本文的研究成果可以为类似近海沉管隧道工程抗震设计提供一定的依据与指导。     

弹性能量半径演化谱及其在多自由度体系地震反应计算中的应用

目前用于结构抗震设计的反应谱仅能反映峰值反应,无法体现反应值随时间的变化。文中提出一种弹性能量半径演化谱,可反映线性单自由度体系弹性能量(即动能与弹性势能之和)随地震持时的变化,且其峰值近似等于结构峰值位移。文中给出了利用地震动演化功率谱得到该演化谱的方法并进一步发展了一种计算线性多自由度体系地震位移反应的新方法。通过两座框架结构的地震反应计算,将新方法与传统振型组合法及时程分析法的计算结果进行对比,发现对于振型稀疏结构,新方法计算结果与SRSS法接近;而对于振型密集结构,新方法计算结果较CQC法更精确,且避免了CQC法相关系数的复杂计算。     

RC框架结构地震塑性损伤分析

基于经典塑性模型与连续损伤模型,根据广义应力空间塑性力学确定了塑性变形的演化法则,文中发展了一种地震塑性损伤分析方法。用来进行混凝土框架结构的抗震分析,将塑性损伤的本构关系运用于两端具有塑性铰的梁模型,模拟框架结构的梁柱。同时该方法的损伤指数可以确定结构各单元和整体的地震时性能,确定结构极限荷载,算例表明该方法具有可靠的精度。     

STFT变换在高层框架结构地震损伤程度识别中的应用

为了研究地震作用下高层框架结构的损伤程度信息,以结构刚度折减率为损伤程度指标,以结构的频率变化率为损伤程度识别参数,采用Matlab模拟结构在不同的损伤程度指标下的加速度响应数据,利用短时傅里叶变换方法对响应数据分析得到结构的模态参数,从而建立损伤程度指标与结构模态参数的函数关系。将损伤结构的模态参数代入函数关系式计算结构的损伤程度指标。采用同济大学振动台试验数据,利用此方法识别结构的损伤程度与振动台试验观察到的损伤程度高度吻合。     

基于模态曲率法的大跨度斜拉桥损伤识别

大跨度斜拉桥是重要的交通结构,研究其在主梁损伤条件下的损伤定位问题具有重要的工程价值。合理选择设计参数并对其进行敏感性分析,根据现场实测的桥梁动力特性数据,通过调整选定的设计参数对初始的有限元模型进行修正。在基准有限元模型的基础上,通过模拟不同位置和不同程度的主梁损伤,探讨了模态曲率法对结构损伤识别的有效性。结果表明,模态曲率法能够对大跨斜拉桥进行初步的损伤定位,确定主梁单处损伤和多处损伤的损伤位置;对于单处损伤,在噪声水平3%的情况下仍具有较好的适用性。从而为后期更为精确的桥梁结构损伤检测提供依据。