基于损伤识别和模型修正的井架钢结构评定方法及应用

论文摘要

准确分析含有损伤缺陷的井架钢结构的静动态力学行为,定量评价井架钢结构的承载能力,能够提高石油天然气开采过程中的安全性,充分利用现有资源的使用价值和提高生产效率。课题在此背景下,深入研究了井架钢结构的损伤缺陷识别方法和有限元模型修正理论,确定了对井架钢结构损伤缺陷敏感的参数及损伤缺陷与物理参数之间的定量关系,建立了井架钢结构的有限元模型直接修正数学模型和模型局部反演修正数学模型,提出了一套定量评价大型复杂井架钢结构的安全性和极限承载力的新方法。应用有限元法对井架钢结构的线弹性、几何非线性、材料非线性、双重非线性、动力特性和稳定性进行了分析,得到了位移、应力、固有频率、振型以及动力响应等力学参数和行为特征,为开展井架钢结构损伤识别、模型修正、安全评价和极限承载力预测奠定了理论基础。开展了井架钢结构损伤缺陷的识别研究。针对井架钢结构的特点和形式,应用当量损伤系数作为判别损伤缺陷是否存在与程度大小的统一量化指标。基于该指标和静/动力测试技术,提出了当量损伤系数直接识别法、基于应变应力的识别法、基于频率变化比或频率平方变化比的识别法和基于单位载荷变形差值曲率的识别法。通过数值算例验证了这几种方法的正确性和可行性。研究了井架钢结构有限元模型的修正理论。提出了两种修正方法:直接修正法和模型局部反演修正法。对井架钢结构普遍存在的几种损伤缺陷情况,如截面锈蚀、杆件初弯曲、整体初弯曲、载荷偏心、节点刚性降低以及支座沉陷,用直接修正法,直接建立相应的损伤修正数学模型;以灵敏度分析技术为基础,以静/动力测试获得的应变、应力、频率和振型等为参考指标,以主要承载杆件的设计参数为修正对象,建立井架钢结构模型局部修正数学模型,应用直接解析或迭代求解的方法求得修正参数。用这种方法解决了井架钢结构测试数据不完备的问题。对井架钢结构测试理论及模型实验进行了研究。根据井架钢结构的激振特点,推导了在有量测输入和输入未知条件下的模态参数识别公式;制作了井架钢结构相似比例模型,进行了逐级动载实验、安全与极限承载实验,验证了模型局部修正理论和直接修正理论的正确可行性,得出了可以依据在安全承载内的修正的数值模型对极限承载性能进行预测的结论;进行了井架钢结构简易模型的载荷与动力特性关系实验,得到了载荷与动力特性的关系,为探讨以动力特性为基准的评价理论提供了参考。在上述研究的基础上,构建了基于静力和动力测试数据的井架钢结构安全和极限承载力评价的新体系。基于静力测试的评定理论主要是以可靠性理论和API Spec 4F规范为基准。基于动力测试的评定理论则是以振动频率为基准直接预测或依据动力测试参数建立的动力有限元模型综合评定。在现场井架钢结构上的成功应用表明该评价新体系能实现安全承载力的评价和极限承载力的预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外井架钢结构的发展情况
• 1.3 井架钢结构承载能力研究进展
• 1.3.1 结构损伤识别的研究进展
• 1.3.2 有限元模型修正的研究进展
• 1.3.3 井架钢结构承载能力评估的研究进展
• 1.4 存在的问题及发展方向
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 第2章 井架钢结构力学行为分析
• 2.1 引言
• 2.2 井架钢结构静力有限元分析
• 2.2.1 线性有限元分析
• 2.2.2 几何非线性有限元分析
• 2.2.3 材料非线性有限元分析
• 2.2.4 双重非线性有限元分析
• 2.3 井架钢结构动力有限元分析
• 2.3.1 模态分析
• 2.3.2 动力响应分析
• 2.4 屈曲分析
• 2.5 算例及分析
• 2.5.1 模态分析
• 2.5.2 线性屈曲分析
• 2.5.3 几何非线性分析
• 2.5.4 双重非线性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 井架钢结构损伤识别方法
• 3.1 引言
• 3.2 井架钢结构损伤模型
• 3.2.1 当量损伤系数
• 3.2.2 损伤静力学方程
• 3.2.3 损伤动力学方程
• 3.3 当量损伤系数直接识别法
• 3.3.1 损伤结构的模态分析
• 3.3.2 当量损伤系数的识别
• 3.3.3 模态参数对当量损伤系数的灵敏度分析
• 3.4 基于静力测试数据和当量损伤系数的识别法
• 3.4.1 基于应变和当量损伤系数的识别法
• 3.4.2 基于应力和当量损伤系数的识别法
• 3.4.3 算例及分析
• 3.5 基于频率和当量损伤系数的分步识别法
• 3.5.1 损伤位置的识别
• 3.5.2 损伤程度的识别
• 3.5.3 算例及分析
• 3.6 基于单位载荷变形差值曲率和当量损伤系数的识别法
• 3.6.1 柔度矩阵
• 3.6.2 单位载荷变形差值曲率
• 3.6.3 柔度与当量损伤系数的关系
• 3.6.4 算例及分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 井架钢结构有限元模型修正理论
• 4.1 引言
• 4.2 直接修正法
• 4.2.1 截面锈蚀损伤指标修正函数
• 4.2.2 初始弯曲损伤指标修正函数
• 4.2.3 整体初弯曲的模型修正
• 4.2.4 载荷偏心修正函数
• 4.2.5 节点刚性降低的修正
• 4.2.6 支座沉降的修正
• 4.3 反演修正的基本思想及方法
• 4.3.1 特征对展开法
• 4.3.2 物理矩阵展开法
• 4.3.3 摄动法
• 4.4 灵敏度分析
• 4.4.1 绝对灵敏度分析
• 4.4.2 相对灵敏度分析
• 4.4.3 相对灵敏度规律分析
• 4.4.4 井架钢结构灵敏度分析
• 4.5 模型局部修正法
• 4.5.1 模型局部修正的基本理论
• 4.5.2 基于静力测试数据的模型局部修正法
• 4.5.3 基于动力测试数据的模型局部修正法
• 4.5.4 三维梁单元刚度关于待修正参数的偏导数矩阵
• 4.5.5 模型局部修正求解算法
• 4.6 本章小结
• 第5章 井架钢结构测试理论及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 井架钢结构静力测试
• 5.3 井架钢结构动力测试
• 5.4 井架钢结构模态参数识别
• 5.4.1 有量测输入的模态参数识别
• 5.4.2 输入未知时模态参数的识别
• 5.5 井架钢结构模型静力实验
• 5.5.1 JJ225/42-K 型井架钢结构模型动态应变模拟实验
• 5.5.2 JJ315/43-A 型井架钢结构模型极限承载实验
• 5.6 简易井架模型动力特性实验
• 5.6.1 简易井架模型概况
• 5.6.2 模型几何参数
• 5.6.3 动力特性实验
• 5.6.4 结果分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 井架钢结构承载力评定理论及应用
• 6.1 引言
• 6.2 基于静力测试数据的评定理论
• 6.2.1 基于可靠性指标的评定理论
• 6.2.2 分项系数形式的概率极限状态评定理论
• 6.2.3 分项系数与结构可靠度的关系
• 6.2.4 基于API Spec 4F 和AISC 的评定准则
• 6.3 基于动力测试数据的评定理论
• 6.3.1 基于振动频率的直接评定
• 6.3.2 基于模态参数的综合评定
• 6.4 现场应用
• 6.4.1 基于静力测试数据的承载力评定
• 6.4.2 基于动力测试数据的承载力评估
• 6.4.3 基于静、动力测试数据的承载力综合评价
• 6.5 本章小结
• 结论
• 附录 符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介