裂缝损伤结构动力分析及其识别方法研究

论文摘要

基于结构振动特性的损伤识别方法是近年来国内外研究的热点,它利用结构的反应或动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤监测。其核心是将结构系统的实测模态特性与健康结构的模态特性进行比较,判断结构是否发生损伤及损伤程度。本文对损伤结构的动力特性进行了分析,并提出了两种基于频率测试结果识别结构裂缝的方法,最后通过对混凝土简支梁在高温前后的模态分析,对由于高温引起的梁内裂缝进行了评估。（1）将裂缝模拟为一无质量又具有一定刚度的转弹簧,应用传递矩阵方法得到了多处裂缝结构的动力特征方程,进而求解特征值。通过数值模拟,讨论了裂缝对梁的动力特性的影响,并与试验结构进行了比较,为结构损伤识别建立了理论基础。（2）另外提出了一种计算多处裂缝梁结构固有基频的近似方法。考虑Euler-Bernouilli梁的弯曲振动,获得了梁固有基频的闭式表达形式。（3）建立了基于梁能量变化的识别裂缝的算法,推导了含裂缝简支梁、悬臂梁和固支梁能量变化的表达式,介绍了裂缝识别的详细过程。并编制了计算程序。（4）运用摄动方法和线弹性断裂力学理论,由振动系统的动力方程推导出结构损伤和模态参数间的联系,获得了基于有限元方法识别结构裂缝位置以及裂缝深度的算式。（5）混凝土简支梁高温后的模态分析及其裂缝识别。对梁在高温前后进行了模态试验,得到损伤识别时所需的参数。本文在分离弹性模量对频率影响的基础上,应用前述损伤识别算法,对梁内由于高温产生的裂缝进行了识别。验证了本文提出的裂缝识别方法的有效性。

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第一章绪论

1.1 损伤识别研究的工程背景

1.1.1 工程中的损伤识别问题

1.1.2 结构损伤诊断技术的应用

1.1.3 传统损伤检测方法及其局限性

1.2 损伤识别问题的理论背景

1.2.1 逆问题的定义与分类

1.2.2 研究损伤识别问题的理论意义

1.3 结构损失识别方法研究的国内外现状

1.3.1 损伤识别方法的分类

1.3.2 损伤识别问题的研究现状

1.3.3 测试信息

1.4 结构损伤识别方法研究尚需解决的问题

1.5 本文的主要研究内容

1.6 与本文研究内容相关的基金支持

第二章多裂缝梁的动力特性分析

2.1 概述

2.2 裂缝基本模型

2.2.1 弥散裂缝模型

2.2.2 精细网格模型

2.2.3 弹簧模型

2.2.4 连续模型

2.3 多裂缝梁的特征方程

2.4 单裂缝梁分析

2.4.1 特征方程

2.4.2 数值算例与讨论

2.5 多裂缝梁数值分析

2.5.1 简支梁分析

2.5.2 悬臂梁分析

2.5.3 两端固支梁分析

2.6 计算裂缝梁固有基频率的近似方法

2.6.1 基频近似计算

2.6.2 简支梁分析

2.6.3 悬臂梁分析

2.6.4 两端固支梁分析

2.6.5 数值模拟

2.7 本章小结

第三章基于能量变化的损伤识别方法

3.1 引言

3.2 裂缝识别算式

3.3 数值算例

3.3.1 简支梁分析

3.3.2 悬臂梁分析

3.3.3 两端固支梁分析

3.3.4 连续梁分析

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第四章结构损伤识别的有限元方法

4.1 引言

4.2 损伤梁运动方程的有限元列式

4.3 结构损伤的灵敏度矩阵

4.4 裂缝损伤梁的能量平衡关系

4.5 损伤识别算式

4.6 算法验证

4.6.1 简支梁数值算例

4.6.2 悬臂梁数值算例

4.6.3 两端固支梁数值算例

4.6.4 连续梁数值算例

4.6.5 框架结构数值算例

4.7 本章小结

第五章混凝土简支梁高温后的损伤试验研究

5.1 引言

5.2 试件设计与试验装置

5.2.1 试件设计

5.2.2 试验装置

5.2.3 混凝土扁梁高温下试验

5.3 模态测试过程及产生的误差

5.3.1 实验模态分析

5.3.2 模态测试过程中的误差因素

5.4 混凝土梁高温前后的模态测试

5.4.1 试验模型

5.4.2 试验设备

5.4.3 试验内容

5.4.4 试验结果

5.5 模态参数识别

5.5.1 频响函数计算的基本公式

5.5.2 测量噪声对频响函数的影响

5.5.3 振型的识别

5.6 本章小结

第六章高温后梁结构的裂缝识别

6.1 概述

6.2 温度对固有频率的影响

6.2.1 弹性模量的影响

6.2.2 温度变化对简支梁固有频率的影响

6.2.3 高温后简支梁裂缝识别

6.2.4 结果与讨论

6.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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