地基板与混凝土框架结构参数识别的实验与研究

论文摘要

近二十年来,基于动力信息的结构损伤诊断研究受到人们的广泛关注,学者在这一领域开展大量的研究。由于土木工程结构的复杂性,人们对结构的建模忽略了很多关键因素,例如没有考虑土与结构动力相互作用的影响。人们多利用低阶模态进行损伤诊断研究,对损伤敏感的高阶模态研究和利用较少。用于结构损伤诊断的动力信息还受到环境因素和测量噪声的影响,存在着不确定性。本文以弹性地基板和弹性地基上的钢筋混凝土框架结构为对象展开参数识别和损伤诊断研究工作,主要内容如下:?1.对模态参数识别方法进行了研究,比较最小二乘复指数法(LSCE)与?PolyMAX?方法,发现?PolyMAX?方法识别高阻尼高阶模态的能力较强。在实验室条件下对弹性地基上自由板进行了脉冲锤击法模态实验,讨论了? Winkler?地基和双参数地基板振动的特点,指出实际工程中地基板的振动仅存在“近似刚体模态”。利用? Vlasov?地基上厚薄板通用元建立地基板振动的通用方法,通过反分析识别得到地基的物理参数。?2.在实验室条件下对地基上的一座钢筋混凝土框架结构进行了模态实验研究。随着框架结构的浇筑过程,进行了随着层数增加的逐层位移模态测试,得到了各种工况下结构的模态值。然后进行了应变模态测试,得到各阶应变模态测试结果。分别考虑了重复实验,模态参数分析方法,温度变化,力大小不均等因素造成的模态参数不确定性。发现模态参数识别方法的影响不能忽略。随温度的升高,结构模态频率降低。锤击力增大导致结构频率的降低。对于非稳态信号的处理,利用?HHT?的识别得到的结果比?FFT?更好。?3.对本文框架结构进行了物理参数识别研究。上部结构采用弯剪缩聚型模型,下部基础采用地基阻抗函数模型。基于不同工况识别得到的结构模态参数结果,利用灵敏度方法进行了各种工况下的结构和地基参数同步识别,得到了模态参数随结构变化的规律。由于灵敏度方法易出现病态问题,采用遗传算法结合模拟退火技术形成遗传退火混合算法,提高了遗传算法的全局寻优能力。利用遗传退火混合算法进行参数识别,识别结果优于灵敏度方法的结果。?4.引入模态局部化的概念,通过算例讨论了刚度完好连续梁由于支座位置变化和支座刚度变化导致的模态局部化的问题,在理论上是特征空间的扩张的问题。利用一座? 3?层框架首层梁的模态实验证实了框架梁也具有连续梁的类似特性,并分析了框架中千斤顶对于结构动力特性的影响。对本文框架结构柱的研究发现,连续梁的模态局部化现象也存在于框架柱中,通过在首层柱单元上加质量博士学位论文?块的方法,从实测结果证实了“高灵敏度的高阶模态”的存在。?5.建立了基于贝叶斯理论进行损伤诊断的基本框架,利用基于马尔可夫链的蒙特卡罗模拟(MCMC)的方法计算贝叶斯统计问题,编制了?MCMC?计算程序。通过一个三层剪切型框架结构的计算模型,分别计算了单损伤与多损伤,不同准则的比较,不同噪声水平下方法的比较,表明? MCMC?方法能有效地诊断结构的损伤。对本文框架结构局部加强柱部位进行了损伤前和损伤后的各? 5?次试验,利用两步法得到的后验期望估计准确诊断了损伤的位置。同时发现地基参数对于结构动力特性有着明显的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 结构损伤诊断的概念
• 1.3 结构的模态参数识别方法
• 1.3.1 模态参数识别的频域法
• 1.3.2 模态参数识别的时域法
• 1.3.3 模态参数识别的时频法
• 1.4 结构损伤诊断的模型修正方法
• 1.4.1 灵敏度方法
• 1.4.2 遗传算法
• 1.5 结构损伤诊断的无反演方法
• 1.5.1 基于动力指纹的损伤诊断方法
• 1.5.2 基于高阶模态的损伤诊断方法
• 1.6 基于经典概率理论和贝叶斯理论的损伤诊断方法
• 1.6.1 基于经典概率理论的方法
• 1.6.2 基于贝叶斯理论的方法
• 1.7 考虑地基影响的结构动力实验研究
• 1.7.1 弹性地基板的动力实验与地基模量反演
• 1.7.2 地基上框架结构的动力实验研究
• 1.8 以往研究的存在的问题和不足
• 1.9 本文研究课题来源及主要内容
• 第2章 弹性地基上自由板的实验模态分析
• 2.1 引言
• 2.2 两种模态参数识别方法的比较
• 2.2.1 复指数最小二乘法（LSCE）
• 2.2.2 多参考点最小二乘复频域法（PolyMAX）
• 2.2.3 PolyMAX 方法与其它方法的比较
• 2.3 地基板模态实验研究
• 2.3.1 实验方法及测试结果
• 2.3.2 测试结果初步分析及场地经验
• 2.4 Winkler 地基和双参数地基上的自由板分析
• 2.4.1 弹性地基的计算模型
• 2.4.2 弹性地基板的基床系数估算及振动特点分析
• 2.4.3 弹性地基上自由板的振动问题求解
• 2.4.4 地基板的刚体模态
• 2.5 Vlasov 地基上自由板的厚薄板通用元分析
• 2.5.1 Vlasov 地基上的自由板
• 2.5.2 厚薄板通用元分析
• 2.5.3 程序的通用性
• 2.5.4 振型分析
• 2.6 弹性地基上自由板的厚薄板通用元分析
• 2.7 小结
• 第3章 考虑土-结构相互作用的混凝土框架结构模态实验
• 3.1 引言
• 3.2 地基土上框架结构的模态实验
• 3.2.1 实验模型的基本概况
• 3.2.2 地基土的动力特性指标测试
• 3.2.3 弹性模量的取值
• 3.2.4 模态实验仪器及实验内容
• 3.3 框架结构的逐层位移模态实验
• 3.4 框架结构的应变模态实验
• 3.5 框架结构模态参数测试的离散性
• 3.5.1 重复实验中结构模态参数的离散性
• 3.5.2 模态识别方法对结构模态参数识别值的影响
• 3.5.3 温度对框架结构振动的影响
• 3.5.4 框架结构非线性振动的影响
• 3.6 小结
• 第4章 考虑土-结构相互作用的混凝土框架结构参数识别
• 4.1 引言
• 4.2 弹性地基上刚性板的阻抗函数
• 4.3 系统识别的误差分析及模型选择
• 4.3.1 模型误差分类
• 4.3.2 模型初选
• 4.4 基于灵敏度方法的框架结构物理参数识别
• 4.5 基于遗传退火混合算法的框架结构物理参数识别
• 4.5.1 遗传算法
• 4.5.2 模拟退火算法
• 4.5.3 遗传退火混合算法
• 4.6 不同参数识别方法对框架结构物理参数识别的影响分析
• 4.6.1 识别方法参数设置及识别准则
• 4.6.2 不同信息组合对于遗传退火混合算法识别结果的影响
• 4.6.3 遗传退火混合算法中参数对于收敛性及识别结果的影响
• 4.7 随层数增加的混凝土框架结构物理参数识别
• 4.8 小结
• 第5章 基于高阶模态的混凝土框架结构参数识别研究
• 5.1 引言
• 5.2 连续梁计算例题分析
• 5.3 框架结构中连续梁子结构的模态分析
• 5.4 地基上框架结构柱的模态局部化分析
• 5.4.1 框架结构柱模态局部化影响因素算例研究
• 5.4.2 构件局部损伤的模态局部化分析
• 5.5 地基上框架结构中高阶局部实验模态分析
• 5.5.1 整体模态实验与底层柱局部激振实验
• 5.5.2 高阶模态参数识别及单榀框架局部模态判别
• 5.5.3 局部柱构件的物理参数识别
• 5.6 小结
• 第6章 基于贝叶斯统计理论的损伤诊断研究
• 6.1 引言
• 6.2 贝叶斯方法的基本原理
• 6.3 基于贝叶斯理论的损伤诊断研究
• 6.3.1 贝叶斯理论模型
• 6.3.2 条件概率
• 6.3.3 先验概率
• 6.3.4 贝叶斯公式计算的复杂性
• 6.4 马尔可夫链的蒙特卡罗模拟（MCMC）
• 6.4.1 蒙特卡罗方法
• 6.4.2 马尔可夫过程及马尔可夫链
• 6.4.3 Metropolis-Hastings 算法
• 6.5 MCMC 的程序实现
• 6.6 贝叶斯估计
• 6.7 剪切型框架结构损伤诊断研究
• 6.7.1 试验算例描述
• 6.7.2 基于频率信息的MCMC 计算
• 6.7.3 基于振型信息的MCMC 计算
• 6.7.4 基于频率振型信息组合的MCMC 计算
• 6.7.5 有噪声情况下不同准则的抗噪性能
• 6.8 地基上钢筋混凝土框架结构的损伤诊断研究
• 6.8.1 框架局部损伤模态实验
• 6.8.2 基于 MCMC 方法的框架结构损伤诊断研究
• 6.8.2.1 识别方法及计算模型介绍
• 6.8.2.2 结构模型修正
• 6.8.2.3 损伤诊断
• 6.9 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文