结构损伤与荷载的快速同步识别方法研究

以损伤因子为优化变量,提出一种结构损伤和荷载同步识别的方法。首先通过时域荷载识别的方法将未知荷载转化为损伤因子的函数,将近似荷载作用下的结构响应和实测响应的平方距离作为目标函数,从而降低了需要识别未知参数的数目;然后在目标函数的计算过程中,利用虚拟变形法(VDM)可进行结构快速重分析的思想,快速构造给定损伤因子下系统的脉冲响应,避免每步迭代重新集装系统矩阵,并通过荷载形函数方法进一步提高荷载识别的效率;最后利用二次多项式插值近似结构每个时刻的响应方法和推导对应目标函数的梯度表达式来提高优化搜索的速度。本文利用刚架模型进行数值模拟,准确识别了结构中柱子单元刚度损伤、附加质量以及梁上的未知移动荷载,并通过一个悬臂梁试验进一步验证所提出方法的准确性和可行性。

联合整体和局部动态信息的空间桁架模型修正试验

由于土木工程结构的复杂性、传感器测点的有限性以及局部损伤的不敏感性等问题,大型结构的模型修正存在一定困难。针对空间桁架结构,为克服上述问题,对其进行整体和局部的动力测试试验,然后联合实测的结构整体和局部动态信息进行模型修正:首先进行空间桁架整体的动力测试试验,获得反应整体特性的低阶模态;然后为了提高局部杆件的动态特性,在杆件上附加一定质量,获得附加质量后杆件的局部主频率,并在各类杆件中选取一定数目进行动态测试;最后联合所有实测结构整体的低阶模态和杆件的局部主频率,对空间桁架结构进行模型修正。修正后的模态参数与实测模态吻合良好,验证了方法的有效性。

基于局部动力测试的结构损伤识别方法与试验

为解决试验数据采集量少、数据信息不完备、结构局部损伤识别敏感性低等问题,提出利用结构局部动力测试数据进行结构损伤的方法。首先,通过原结构局部动力测试试验,得到原结构的局部激励时程曲线和加速度响应时程曲线;然后,在试验数据基础上,根据附加虚拟质量法构造新结构,并求得新结构的加速度频率响应函数;接着,根据频率响应函数,识别出新结构的试验频率,并将该频率与有限元模型计算得到理论频率对比,识别原结构的损伤。桁架结构的局部动力测试结果表明,所提方法可以准确地识别出桁架结构的损伤,并且具有较高的精度。

基于局部主频率的子结构损伤识别研究与试验

针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的局部主频率方法。子结构的局部主频率指:如果整体模态中含有以局部子结构位移为主的模态,即等价于在局部激励作用下,整体结构的振动主要体现为子结构的振动,并且主要以这阶局部模态振动为主,那么对应的该阶频率即定义为子结构的局部主频率。局部主频率主要反映子结构的局部特性,对子结构损伤的灵敏度高,所以只利用局部主频率就可以识别子结构。当子结构特征不明显时,提出通过附加质量使子结构具有局部主频率的有效方法。该文进行了大型空间桁架的局部动力测试试验,试验中通过附加质量使杆件子结构具有局部主频率,并能准确地识别出杆件损伤的位置和程度。

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。

基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆,并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分析思想,提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法.该方法以双自由度车体模型的质量为变量,通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量(载荷),避免了识别载荷时常遇到的病态问题,对噪声鲁棒性强,且需要传感器信息少.每步优化中,利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念,无需时时重构车-桥耦合系统的时变系统参数矩阵,显著提高了计算效率.利用数值框架梁模型,通过比较不同车辆简化模型对移动体质量及等效移动载荷的识别效果,验证了该方法的可行性和有效性,即使在5%的噪声影响下,利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.

基于灵敏度矩阵的虚拟质量快速优化布置方法

在结构上附加虚拟质量可以提高测试模态的灵敏度和数据量,是一种有效的损伤识别方法。由于虚拟质量的大小、数量和位置对损伤识别影响较大,所以虚拟质量的优化布置是准确识别损伤的前提。针对这一问题,提出基于灵敏度矩阵的虚拟质量快速优化布置方法。首先建立灵敏度信息矩阵,利用灵敏度分析确定虚拟质量大小;然后利用所提出的灵敏度矩阵体积最大准则和逐步快速搜索方法,优化虚拟质量的布置位置;最后,通过简支梁结构的数值仿真验证方法的有效性。通过分析不同大小的虚拟质量和不同位置布置方案对于损伤识别精度的影响,确定该方法能够高效快速地得到虚拟质量优化布置方案,并且能够准确地识别出结构的损伤位置和程度。

基于附加虚拟支座的结构损伤识别方法

针对土木工程中实测模态相对较少,很难进行大型结构的损伤识别的困难,提出附加虚拟支座的损伤识别方法。该方法利用约束子结构方法在结构上附加虚拟支座来增加结构形式的方法,增加识别模态的数量,从而实现结构的准确损伤识别。约束子结构方法的基本思想是通过响应的卷积组合为零将传感器转化为虚拟支座。将附加虚拟支座后的结构定义为虚拟结构,每个虚拟支座对应一个虚拟结构,那么在结构上不同位置附加虚拟支座,则可以获得多个虚拟结构的模态;联合所有虚拟结构和对应的频率即可准确快速的识别出整体结构的损伤。最后通过三层空间框架模型验证方法的有效性。

基于附加虚拟质量的储罐损伤识别方法

针对储罐的具有空间对称、低阶模态密集且对局部损伤不敏感的特点,提出附加虚拟质量的损伤识别方法。首先结合储罐结构模态的灵敏度分析,确定附加质量的大小;接着基于虚拟变形法(VDM)的基本思想,利用在原储罐结构的激励时程和对应位置的加速度响应时程,构造附加质量后的频率响应并识别其频率;然后利用储罐结构空间对称特点,根据附加虚拟质量后的频率的分布规律初步判断损伤的位置;进一步,结合有限元模型的灵敏度方法进行迭代求解识别损伤的程度;最后利用储罐有限元模型进行数值模拟,可以准确的识别出损伤位置和程度,验证方法的有效性。

基于移动质量-频率曲线的结构损伤识别方法

针对土木工程中结构实测得到的模态信息少,结构损伤识别方法对噪声敏感且依赖高精确度有限元模型等问题,提出利用移动质量-频率曲线识别结构损伤的方法。首先,在结构上附加移动质量块,获得结构频率关于附加质量位置的关系曲线;然后,建立结构近似有限元模型,通过计算实际模型与近似有限元模型之间的质量-频率曲线的相关性,建立目标函数进行优化;最后,利用变截面简支梁结构进行数值模拟。结果表明:在模型存在较大误差情况下,该方法仍能够准确识别损伤位置,验证其具有较高的适用性。

约束子结构损伤识别的时序方法研究与试验

针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的约束子结构方法。约束子结构方法是通过子结构响应的卷积组合限制子结构边界的响应为零,来实现施加虚拟支座,从而将子结构分离出整体,然后利用构造的相应子结构内部响应,进行子结构损伤识别。该文利用先分段提取结构响应的子时间序列,再延时排列Toeplitz矩阵的方式,使基于不同响应的构造约束子结构的方程具有相同表达式,统一了约束子结构方法的基本思想。通过测量悬臂梁的局部动力响应,利用局部响应的时间序列实现了子结构的快速准确地分离和识别,验证了方法的实用性和有效性。

结构损伤与荷载共同识别的研究

针对结构中同时存在未知损伤和荷载的情况,基于虚拟变形法(VDM)发展一种两者共同识别的时域方法。VDM方法利用虚拟变形模拟结构损伤,可快速计算模型改变后的响应。该文首先结合有限元理论把VDM方法拓展到具有多个单元变形的结构中;然后考虑结构存在未知荷载时,利用未损伤理论模型同时识别荷载和虚拟变形,继而由虚拟变形和单元实际变形的关系来识别判断损伤类型和识别损伤大小;最后通过一个悬臂梁的试验进行方法验证,试验中未知荷载和损伤(包括其类型和大小)均能够被有效识别,并利用提出的移动时间窗和荷载形函数方法实现损伤与荷载的在线识别。

基于子结构虚拟变形的损伤识别方法

针对大型土木结构损伤识别优化效率低的问题,提出了子结构虚拟变形方法。虚拟变形方法是一种结构快速重分析的方法,该方法利用单元的虚拟变形模拟结构的损伤,可以在不重新建立有限元模型的情况下,快速计算出结构参数改变后的结构响应。该文基于虚拟变形法的基本思想,对子结构的刚度矩阵进行分解和对损伤后结构运动方程进行整理,推导出利用子结构的虚拟变形刻画损伤的方法,扩展了虚拟变形方法的适用范围;并且给出了虚拟变形和结构响应的相关性计算公式,通过相关性分析提取主要的虚拟变形,减少参与计算的子结构虚拟变形的数目,提高计算效率;最后利用一个五十层框架的数值仿真验证方法的有效性。