基于应变模态的结构损伤检测方法研究

论文摘要

工程结构在荷载、温度、腐蚀等各种外部因素的作用下,会不可避免地产生损伤,如微裂纹、微孔洞等。结构损伤的检测可以帮助人们及时进行加固以便降低结构的损伤累积程度,减少事故隐患。本文总结了工程结构损伤检测方法的研究现状,对基于应变模态的结构损伤检测方法进行了探讨研究,并将其应用于大型复杂钢筋混凝土结构的损伤识别。主要的研究内容如下。综合了应变模态理论的研究成果,设计了一套全新的测试数据分析方法：各测点的应变时程数据经过滤波降噪处理,采用快速傅里叶变换得到各个测点的幅频曲线；然后通过有限元分析,获得结构的各阶固有频率,并据此将整个频率域划分为包含各阶固有频率的区段；编制程序搜索每个频率区段,得到所测结构的各阶真实频率及其振幅；最后通过三次样条插值得到对应于结构各阶固有频率的应变模态振型。设计、制作了预制损伤的试验构件,包括本构关系简单、支撑条件明确的金属梁和较为复杂的钢筋混凝土箱梁。采用理论分析、数值仿真、模型试验相互验证的研究方案,成功实现了损伤的定位。并摸索出一套行之有效的结构损伤检测方案。利用应变模态损伤检测法,对某现役桥梁的动态应变测试数据进行了处理,评估了该桥梁的服役状态,为大型复杂结构的损伤检测积累了经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 结构损伤检测技术的发展与现状
• 1.2.1 局部损伤检测技术
• 1.2.2 全局损伤检测技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本文的主要创新性工作
• 第2章 相关理论
• 2.1 损伤理论基础
• 2.1.1 损伤的概念及其度量
• 2.1.2 损伤的类型
• 2.1.3 疲劳损伤及其演化
• 2.2 模态分析理论
• 2.2.1 传递函数
• 2.2.2 模态矩阵
• 2.2.3 模态矢量的归一化
• 2.3 应变模态理论
• 2.3.1 应变模态的基本概念
• 2.3.2 应变传递函数矩阵
• 2.3.3 应变模态的正交性
• 2.4 信号处理中的傅里叶变换
• 2.4.1 傅里叶级数与傅里叶变换
• 2.4.2 离散傅里叶变换
• 2.4.3 快速傅里叶变换
• 2.5 小波分析理论简介
• 2.6 动力有限元理论
• 2.6.1 动力有限元基本方程
• 2.6.2 显式算法和隐式算法
• 2.6.3 Newton迭代
• 第3章 预制裂纹金属梁的损伤检测
• 3.1 金属梁的设计制作
• 3.2 金属损伤梁的有限元仿真
• 3.3 金属损伤梁的检测试验
• 3.3.1 试验设备
• 3.3.2 加载方式与信号采集
• 3.3.3 数据分析
• 3.3.4 二次检测试验
• 3.4 金属梁损伤检测的试验小结
• 第4章 预制缺陷钢筋混凝土箱梁的损伤检测
• 4.1 钢筋混凝土箱梁的设计制作
• 4.2 钢筋混凝土箱梁的有限元仿真
• 4.3 钢筋混凝土箱梁的检测试验
• 4.3.1 预制损伤
• 4.3.2 加载方式与信号采集
• 4.3.3 数据处理和结果分析
• 4.4 钢筋混凝土箱梁的试验小结
• 第5章 现役桥梁的损伤检测
• 5.1 测试桥梁简介
• 5.2 测试方案
• 5.2.1 准备工作
• 5.2.2 测试步骤
• 5.3 测试设备介绍
• 5.4 测点布置和加载
• 5.4.1 测点布置
• 5.4.2 试验荷载
• 5.5 数据分析
• 5.5.1 有限元模拟
• 5.5.2 测试数据分析
• 5.6 现役桥梁损伤检测小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录B 攻读学位期间参与的科研项目