基于模态应变能变化率的桁架结构损伤识别.pdfVIP

第十届全国现代结构丁程学术研讨会 基于模态应变能变化率的桁架结构损伤识别 李永梅Ⅵ 赵金鑫- 杨博颜 1．北京工业大学建筑工程学院，北京100124； 2．北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124 提要： 为了提高梁式桁架诊断效率与诊断结果的可靠性，采用结构损伤的单元模态应变能变化率作为桁架结构损伤定位 的识别指标。通过对一个典型桁架结构的数值模拟研究表明：该方法仅需第一阶模态参数即可进行损伤检测，无 论是单一位置损伤、轻微损伤，还是多种损伤共存，均具有损伤定位的能力。在损伤位置确定后，根据损伤单元 模态应变能变化率指标曲线突变的幅度，可定性地判断损伤的程度。并与模态应变能差指标进行数值模拟分析比 较研究，验证了单元模态应变能变化率指标的有效性。 关键词： 桁架结构；损伤识别；模态应变能差；模态应变能变化率 一、引言 近年来，各类结构的无损探伤检测一直是土木工程研究的热门课题。桁架结构由于其重量轻、材料使 用率高，在土木工程结构中被广泛应用，开展对桁架结构的损伤识别研究具有现实意义。一般认为，结构 的损伤表现为结构局部刚度的降低，从而导致结构模态参数的变化。利用结构的振动测量信号进行结构的 损伤检测仍然是目前国内外研究的热点。根据结构模态参数的不同，结构损伤诊断的方法有基于固有频率、 振型的损伤诊断以及基于二者组合参数的损伤诊断等方法。其中，基于振型的模态应变能方法成为结构损 伤识别中的一种比较实用的方法。Yao 1992 [H提出，通过测试结构损伤前后模态应变能变化进行损伤识别。 利用前三阶模态振型识别一个钢桥的损伤。虽然利用损伤前后模态应变能的改变量可以进行结构损伤识别， 但对支撑处缺陷、轻微损伤或多处损伤识别等情况，会存在模糊或者错误定位的问题。通过对一个典型桁 架结构进行损伤识别的数值模拟研究表明：基于模态应变能变化率的方法，仅需第一阶模态参数，无论对 单一位置损伤、轻微损伤，还是多种损伤共存，均具有损伤定位的能力。 二、模态应变能法损伤识别的理论研究基础 模态应变能法其基本思想是通过测量结构损伤前后的振型，并借助结构的刚度，直接计算出可以表征 结构变化的模态应变能。当结构局部发生损伤时，部分模态振型在结构损伤附近发生局部突变，将引起损 伤处模态应变能发生较大变化。因此，对比结构损伤前后的模态应变能，可以大致判断损伤的位置。 定义结构破损前后，第．『个单元关于第f阶模态的单元模态应变能f41 简称为MSE 如下： 1 MSE# ①l 。【K，】 ①i 和MSEi； o? 7【K『】 ①? 式 1 中，上标d表示结构破损，丁表示向量的转置；【K．】是整体坐标系下第歹个单元的刚度矩阵； 取 是第f阶模态向量，由整体坐标系下第_『个单元两端节点位移与转角组成。 结构破损前后的第j『个单元关于第f阶模态的单元模态应变能差 简称为MSEC 和单元模态应变能变 化率 简称为MSECR [Sl【6J损伤识别指标定义分别为： 832 工业建筑2010增刊 第十届全阳现代结构一【程学术研讨会 MSECU MSEid—MSEij 2 ” ， —— 3 3 ～ MSE,j 由式 3 可以得出，若发生杆单元损伤，结构最可能的损伤杆单元将位于模态应变能变化率值最大处， 就是局部损伤位置所在。损伤识别时，绘制MSECR随节点 或单元 变化的二维曲线，曲线突变处将指 示出损伤的位置。在损伤位置确定后，根据损伤单元模态应变能变化率MSECR指标曲线突变的幅度，可 定性地判断损伤的程度。 桁架结构的损伤定位 实际工程结