The Coupled Effect of Temperature Changes and Damage Depth on Natural Frequencies in Beam-Like Structures

A significant amount of research is concerned with dynamic modal parameters for damage detection of structural conditions due to their simplicity in use and feasibility.However,their use for damage detection should be performed with special attention,particularly in operational and environmental conditions subjected to temperature changes.Beams in construction industries experience different loading types,such as temperature changes leading to crack initiation and propagation.Changed physical and dynamic properties such as natural frequencies and mode shapes indicate that damage has occurred within the structures.In this study,vibration analysis of cantilever and cantilever simply supported beams has been carried out on intact and damaged beams to investigate the coupled effect of temperature changes and damage depth on natural frequencies.A numerical analysis of beams is completed using ANSYS software.The results of numerical simulation are validated using two other studies from literature.Numerical results revealed that in order to perform a successful damage assessment using the frequency shift,the vibration modes should be selected properly.In addition,an increase in temperature results in a decrease in structural frequencies.The assessment of the effect of damage depth on natural frequencies also confirms that when damage depth is increased,there is a significant decrease in natural frequency responses.

金属屋面铝板抗风性能数值模拟研究

连续焊接不锈钢金属屋面系统是一种新型金属屋面围护体系,因其易于加工、轻质高强的特点,近年来被广泛应用于体育馆、航站楼、车站等各类大型公共建筑中。连续焊接不锈钢金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性,这也导致我国至今还未有金属屋面围护系统的相关施工和管理规范,不利于这类屋面的推广应用。基于上述问题,对连续焊接不锈钢金属屋面系统展开相关研究。首先介绍了金属屋面构造,通过分析连续焊接不锈钢金属屋面系统的构造,总结出其优点:整体性和密封性良好、耐久性优良、维护成本低。基于有限元分析软件MIDAS Fea建立金属屋面铝板数值模拟分析模型,模拟屋面系统在风载作用下的破坏过程,对连续焊接不锈钢金属屋面系统的抗风性能进行研究分析。对金属屋面铝板施加沿z轴正方向的均布荷载8.0 kN/m^2,分析铝板的变形及受力情况。分析结果表明:三角形板的中间位置位移最大,方向主要沿z轴正向;相较于中间位置的板,处在边缘的板由于约束差,位移较大;对于边缘位置板和中间位置板,当荷载达到6.4 kN/m^2时,增加相同的荷载,位移增量变大,即荷载-位移曲线呈非线性增长,铝板产生非线性变形;在8.0 kN/m^2的均布荷载作用下,相邻三角形铝板连接部位的凹槽处应力较大,将率先进入塑性阶段;在三角形铝板中,角点处应力最为集中,故应力增长较快,且应力最大;凹槽处的连接板通过螺栓与下部结构相连,在荷载传递的过程中,屋面三角形板所承受的竖向荷载均通过连接板传给螺栓,由于螺栓连接较弱,容易产生应力集中现象,进而导致结构破坏,必要时应采取相应加强措施。通过对结构的模态分析,得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压时程分析,得到各测点对应的最大位移、应力响应。在此基础上,结合金属屋面铝板在风吸作用下的破坏模式,提出了提高屋面抗风极限承载力的若干建议。

直立锁边金属屋面系统风吸破坏机理研究

国内将直立锁边金属屋面系统引进后,对其传力原理和受力性能方面的研究尚未成熟,不利于此类屋面体系的推广应用。直立锁边金属屋面系统涉及的问题具有综合性、复杂性,需要大量科研工作予以解决。基于以上问题,针对性地对直立锁边金属屋面卷边咬合处展开相关研究。首先介绍了金属屋面的构造,通过对铝镁锰直立锁边金属屋面系统构造的初步分析得到了屋面板抗风原理:最顶层的屋面板首先向上变形,将上升力通过锁边咬合构造传给支座,支座再将荷载由自攻螺钉传至檩条,最后再分配给主体结构。传力顺序为风吸荷载→屋面板→固定支座→自攻螺钉→檩条→主体结构。利用非线性有限元软件MIDAS FEA模拟该屋面系统受风荷载作用下的破坏全过程,对直立锁边金属屋面系统的抗风性能进行研究。结合国内对金属屋面系统抗风揭破坏性能所做的研究,分别在屋面板平板及竖向板肋上施加满布均匀荷载2 kN/m2和5 kN/m2,分析不同荷载下屋面板的受力及变形情况,得到了不同位置节点处的Mises应力云图。分析发现:在2 kN/m2均布荷载作用下,支座与金属卷边相连接的部位由于相互的挤压和滑移,局部应力较大,达到220 MPa,但此时板面中部位置还停留在比较低的应力水平;在5 kN/m2的均布荷载作用下,屋面板跨中大部分以及支座附近的区域应力已经达到屈服强度;在2 kN/m2的均布荷载作用下,屋面板跨中位置的最大竖向挠度值约为48.18 mm,挠度数值较大,且支座处开口使得两侧板面挠度值大于中间板,需考虑其对整体屋面系统使用状态的影响;当施加在屋面板上的均布风荷载值为5.0 kN/m2时,板跨中挠度为220 mm,这是因为屋面板已经脱离支座,导致挠度迅速变大,此时过大的挠度对屋面板的正常使用产生了不可恢复的影响。通过对屋面板受荷载作用下的变形情况加以分析,可知相邻屋面板在风揭作用下,卷边直肋分别往两边运动,屋面板直立锁边部分与铝合金支座不断摩擦、挤压,随着变形的不断发展,最终脱离支座。因此,直立锁边金属屋面系统在风吸力作用下,屋面板卷边与支座处的咬合连接是最先发生破坏的部位,对此部位应特别注意,必要时应采取相应加强措施。通过对结构的模态分析,得到其前5阶振型和周期。对屋面板进行风压动力时程分析,得到与各测点对应的锁缝连接处相对位移响应。为提高直立锁边金属屋面系统抗风揭能力,防止局部掀翻,针对不同的工程状况,提出了相应的加强对策。加强处理后,直立锁边金属屋面系统的使用安全性提高,可为工程设计提供参考。