基于线性及非线性动力特性的桥梁结构非破损检测研究

论文摘要

本文首先从力学与数学的角度对多年来许多学者进行损伤检测研究的方法进行了分类与比较,在此基础上提出了本文研究工作的重点:从结构非线性动力特性的角度出发对结构的损伤检测进行试验和理论分析。本文主要的研究对象(损伤检测研究的对象)是城市钢筋混凝土桥梁及预应力混凝土桥梁结构,对于这两种工程中常用的桥梁结构采用两种途径进行了研究,数值模拟和试验:数值模拟研究针对单自由度结构和简支梁模型进行的,单自由度和简支梁的损伤主要体现在裂缝的形成与扩展方面,假定在动力荷载作用下结构的裂缝可以处于两种状态:裂缝张开状态和裂缝闭合状态。结构的开裂区域可以用非线性单元来模拟,这样的非线性单元具有这样的特点:当结构的裂缝处于张开状态下,其刚度比较小,当结构的裂缝处于闭合状态下,开裂部分结构的刚度等于结构开裂前的刚度。在此假定基础上,分别将激励频率等于结构基频的简谐形激励、激励频率等于结构基频之半的简谐形激励和锤击激励输入结构,而后比较了损伤前后结构在相同激励下的位移响应、速度响应、加速度响应、加加速度响应和位移积分响应。结果表明:结构的位移积分响应对本文假定的损伤情况最敏感。因此,就此类损伤而言,可以考虑用位移积分这一新的损伤指标对结构的损伤进行检测和分析。在数值模拟研究方面,本文就单自由度结构设计了四种恢复力与位移关系曲线,分别代表结构损伤前的状态和三种不同等级的损伤状态。将三种激励形式:激励频率等于结构基频的简谐形激励、激励频率等于结构基频之半的简谐形激励和锤击激励分别施加在这四种模型上,通过计算得到四种模型的位移响应,进而得到位移积分响应。而后,在每种激励形式下,比较了损伤前和不同损伤程度下结构的位移积分响应。结果表明:在三种激励形式下,随结构损伤程度增加,结构的位移积分响应都呈下降趋势。文中也进一步研究了位移积分与结构损伤程度之间的定量关系。在理论研究方面,主要是采用以下方法进行的:直接刚度法(DSC)和非线性动力特性法。直接刚度法是一种基于线弹性动力特性的损伤检测方法,应用这一方法对论文中的普通钢筋混凝土简支梁和无粘结预应力钢筋混凝土梁的模态试验数据进行了分析,分析结果表明,这一方法在论文中的试验条件下可以比较准确地识别出沿结构长度分布的刚度变化情况,从而可以为桥梁结构的加固提供一些有用的数据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文研究目的与意义
• 1.2.1 桥梁倒塌事故与对结构损伤监测的需求
• 1.2.2 桥梁加固与振动控制所需要的力学参数
• 1.2.3 为桥梁结构健康状况做出评估
• 1.2.4 减少施工过程中的事故发生
• 1.3 课题研究现状
• 1.3.1 国内外损伤检测研究中所采用的方法
• 1.3.2 损伤检测研究中的Benchmark
• 1.3.3 面向损伤检测的有限元模型的某些问题
• 1.3.4 损伤检测研究中使用传感器位置及数量优化
• 1.3.5 结构损伤检测的存在问题及改进意见
• 1.4 本文主要研究内容
• 1.4.1 高耐久性传感器的研制和应用
• 1.4.2 基于非线性动力特性的结构损伤检研究
• 1.4.3 有关损伤指标的研究
• 第2章 带裂缝单自由度结构动力响应的数值模拟
• 2.1 单自由度结构力学参数的确定
• 2.1.1 单自由度模型质量与刚度的确定
• 2.1.2 单自由度模型阻尼比的确定
• 2.1.3 单自由度模型临界阻尼系数的确定
• 2.1.4 单自由度模型阻尼系数的确定
• 2.1.5 单自由度模型阻尼系数与质量之间比例关系的确定
• 2.2 损伤前后单自由度结构刚度模型
• 2.3 激振力的选择
• 2.3.1 简谐形激励的选择（激励频率等于结构基频时）
• 2.3.2 简谐形激励的选择（激励频率等于结构基频之半时）
• 2.3.3 锤击激励力的选择
• 2.4 数值模拟分析方法的选择
• 2.5 损伤前后单自由度结构数值分析结果及比较
• 2.5.1 激励频率等于结构基频时
• 2.5.2 激励频率等于结构基频之半时
• 2.5.3 锤击激励下的分析结果及比较
• 2.6 损伤前及几种损伤条件下单自由度结构位移积分响应的比较
• 2.6.1 单自由度损伤后几种恢复力-位移关系曲线
• 2.6.2 单自由度结构损伤前和各级损伤条件下的位移积分响应
• 2.6.3 单自由度结构位移积分与损伤程度之间的关系
• 2.7 本章小结
• 第3章 带裂缝简支梁结构动力响应的数值模拟
• 3.1 损伤前梁有限元模型的选取
• 3.1.1 模型试验梁的几何尺寸与材料特性
• 3.1.2 试验梁的三种有限元模型
• 3.1.3 试验结果与模型计算结果的比较（一到三阶频率的比较）
• 3.2 损伤加载前试验结果与模型计算结果的比较（锤击激励下）
• 3.2.1 损伤前梁阻尼比参数的确定
• 3.2.2 锤击力信号的选取
• 3.2.3 损伤加载前锤击条件下，钢筋混凝土梁试验结果与模拟计算结果的比较
• 3.2.4 损伤加载前锤击激励下跨中最大弯矩与开裂弯矩的比较
• 3.3 具有一定损伤梁有限元模型的选取
• 3.3.1 损伤的假定
• 3.3.2 所假定的损伤在梁模型中的实现方法
• 3.4 输入激励的选取
• 3.4.1 激励力的频率等于结构基频时的简谐形激励
• 3.4.2 频率等于结构基频之半时的简谐形激励
• 3.4.3 锤击激励的选取
• 3.5 损伤前后模型数值计算结果的比较
• 3.5.1 激励频率等于结构基频时
• 3.5.2 激励频率等于结构基频之半时
• 3.5.3 损伤前后锤击激励下结构响应的比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 PVDF应变传感器在损伤检测中的应用
• 4.1 PVDF的基本原理
• 4.2 PVDF的特点及其一些应用情况
• 4.2.1 PVDF传感器与传统传感器之间的比较
• 4.2.2 PVDF传感器的研究及应用情况
• 4.3 PVDF应变传感器的试验研究
• 4.3.1 PVDF的基本原理
• 4.3.2 试验设计与实施
• 4.3.3 试验结果及分析
• 4.3.4 结论
• 4.4 PVDF大标距应变传感器在结构损伤检测中的应用（理论研究）
• 4.4.1 大标距应变仪器测量应变的原理介绍
• 4.4.2 PVDF大标距应变传感器的设计
• 4.4.3 应用PVDF大标距应变仪检测裂缝损伤的数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 普通钢筋混凝土简支梁损伤检测试验研究
• 5.1 试验概况
• 5.1.1 试验目的
• 5.1.2 试件设计
• 5.1.3 试验过程
• 5.1.4 试验内容与方法
• 5.2 试验结果及分析
• 5.2.1 利用结构的线弹性动力特性检测普通钢筋混凝土梁的损伤
• 5.2.2 利用非线性动力特性的变化分析混凝土梁的损伤程度
• 5.2.3 用锤击试验结构响应最大值检测结构的损伤程度
• 5.2.4 结构位移积分响应在结构损伤检测中的可行性
• 5.2.5 对与位移有关的积分响应的某些讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 无粘结预应力混凝土简支梁损伤检测的试验研究
• 6.1 试验概况
• 6.1.1 试验目的
• 6.1.2 试件设计
• 6.1.3 试验过程
• 6.1.4 试验内容与方法
• 6.2 试验结果及分析
• 6.2.1 用结构的线弹性动力特性分析预应力钢筋混凝土梁的损伤
• 6.2.2 利用非线性动力特性的变化分析混凝土梁的损伤程度
• 6.2.3 用锤击试验结构响应最大值检测结构的损伤程度
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的项目
• 附录A1 SAP2000数据文件
• 附录A2 对文献[71]的讨论
• 致谢