基于摄动有限元方法对梁结构损伤的识别

结构损伤的定量识别是工程技术中急待解决的问题。利用矩阵摄动和结构有限元动力学理论推出梁结构损伤程度定量识别的公式和方法,该方法仅需要在役结构的固有频率测量值就可识别结构的损伤位置和损伤程度,而且可以识别结构的老化程度,避免了由模态振型识别损伤,因测量自由度不足带来的误差,通过对一钢悬臂梁损伤识别的数值仿真,证明了该方法的有效性。该方法具有较大的工程应用价值。     

基于类柔度差曲率和频率摄动的结构损伤识别

为提高梁式结构损伤诊断的效率,提出一种基于类柔度差曲率和频率摄动的结构损伤识别方法。首先根据结构振动理论,研究广义柔度矩阵计算公式;再利用模态柔度对结构损伤灵敏性高的优点,改进基于柔度差曲率的损伤定位指标,定义类柔度差曲率LCFC损伤指标,并初步识别损伤;最后基于矩阵摄动进行结构损伤识别结果确认。考虑多种损伤工况,对一简支梁结构进行损伤识别数值模拟验证。结果表明:仅使用一阶模态,建立的类柔度差曲率LCFC指标对梁式结构损伤定位具有良好的诊断效果,且计算工作量小;对于含边界损伤单元的多损伤工况,当损伤程度大于10%时,LCFC指标识别有效;当损伤程度不大于25%时,各工况二阶摄动识别结果精度较高,相对误差较一阶摄动结果明显降低,证明了该方法的实用性、有效性和精确性。     

桥梁结构损伤对其固有振动特性的影响

分析实际桥梁结构的各种损伤状况,采用矩阵摄动理论分析桥梁结构发生损伤时固有频率及振型向量的一阶、二阶摄动结果,并讨论了固有振动特性对结构单元损伤的灵敏性。在理论分析的基础上,编制桥梁结构固有振动特性及其在损伤下的摄动分析程序,并用以分析简支梁、连续梁及拱结构损伤引起的固有振动的摄动结果。分析结果表明:单一单元损伤引起固有频率的摄动结果很小;不同位置处单元损伤与固有频率摄动结果的关系曲线与对应振型曲线具有相似性,但在中间支承处或结构端部有扭转约束处单元损伤影响显著;而单元损伤对振型向量影响极小。     

基于一维卷积神经网络的结构损伤识别

传统结构损伤识别需对采集数据进行分析,提取相应特征进行损伤诊断。特征提取过程需消耗大量的计算成本,无法满足结构健康监测在线损伤识别的需求。为提高损伤识别的计算效率和自动化程度,提出基于一维卷积神经网络的结构损伤识别方法,其特点是可以直接从原始振动信号中自主学习损伤特征,并准确快速地识别结构的损伤位置和损伤程度。采用简支梁数值模型和IABMAS BHM Benchmark数值模型验证所提方法的有效性。数值结果表明:所建立的一维卷积神经网络模型能够准确识别结构的损伤位置和损伤程度,具备一定的抗噪性能,整体模型收敛快,对单条样本测试延迟低。设计了钢框架结构损伤识别试验,采用所提方法对框架结构的损伤情况进行了识别。分析结果表明:所提方法可准确识别结构损伤程度及损伤类别,测试集准确率为100%,验证了方法在实际结构损伤识别的应用可行性。     

基于小波包分解和模糊聚类的网格结构损伤诊断方法

本文针对网格结构的特点,利用其在快速正弦扫频激励下的动力响应,基于小波包分解频带能量分析和模糊聚类法,提出了一种适合于网格结构的损伤诊断方法。利用两个传感器损伤信息的联合诊断,有效地解决了使用一个传感器无法检测出对称损伤的难题。利用有限元模拟,应用上述方法对一单层球面网壳结构进行了损伤诊断。结果表明,对网壳杆件较小程度的损伤,子频带能量成分变化敏感,用其构造诊断向量和建立损伤样本库,并进行模糊聚类和目标识别,基本可以正确地识别出网壳杆件的损伤位置和程度。同时该方法测试时间短,使用设备少,有可靠的理论基础,具有一定的工程应用参考价值。     

基于提升小波的框架结构损伤识别研究

提升小波分析方法可以将信号按任意精度进行分解,具有优越的时、频局部化性能。文中在提升小波分析基础上提出了框架结构的损伤检测和识别方法。首先将结构加速度响应信号进行提升小波变换,然后采用单支重构的方法获取细节信号,通过细节信号的突变特征识别结构损伤情况,并用悬臂梁的数值模拟和三层框架模型结构试验验证了所提出方法的实用性。     

基于频响函数的高阻尼混凝土悬臂梁试验分析

本文对两根分别为普通C35混凝土悬臂梁及高阻尼混凝土悬臂梁进行了拟静力加载和锤击振动测试的交叉试验。基于结构频响函数,研究高阻尼混凝土悬臂梁基本频率与阻尼比随损伤的变化趋势;考察悬臂梁在不同损伤阶段的裂缝开展情况,建立悬臂梁弯曲动刚度与损伤之间的关系;通过各锤击点不同损伤阶段的频响函数,考察悬臂梁的动刚度退化情况。研究表明:随着控制位移的增加,两悬臂梁构件基本频率均逐渐减小,第一阶阻尼比则先增大后减小;高阻尼混凝土悬臂梁在屈服点后阻尼比显著高于普通混凝土;混凝土悬臂梁动力特性随损伤的关系与悬臂梁裂缝数量、裂缝宽度及塑性发展密切相关。     

基于结构动态响应统计特征的损伤指标研究

为了提高土木工程结构损伤识别的可靠性和有效性,本文提出一种基于结构动态响应统计特征的损伤指标,并对其可行性进行研究。文中首先在结构随机振动理论基础上推导出结构动态响应（包括位移、速度和加速度）的统计特征（包括均值和方差）与结构损伤位置和损伤程度之间的关系;然后通过敏感性分析确定以结构位移的方差作为结构损伤识别的损伤指标;最后,数值模拟-六层钢筋混凝土框架结构在白噪声激励下的动态响应,观察在不同损伤位置和损伤程度下结构动态位移方差的变化,从而对选择结构位移的方差作为损伤指标的可行性进行评估。研究得出结论,使用结构动态响应的统计特征作为土木工程结构损伤识别的损伤指标是可行的。     

运用改进的D-S进行钢管焊接结构损伤识别

为了有效利用结构健康诊断中的多源不确定数据,提高损伤识别的准确率,通过改进D-S证据理论(Dempster提出由Shafer完善形成的一种推理理论)中的基本概率赋值函数和组合规则,提出了一种基于改进D-S证据理论的结构损伤识别新方法.该方法利用灰色关联理论和熵权理论处理信息源的基本概率赋值问题,利用改进的D-S组合规则处理信息源间的相关、冲突问题.通过钢管焊接结构的试验研究验证所提方法的有效性,结果表明所提出的方法优于传统的D-S损伤识别方法;相对于单一损伤信息的损伤识别而言,基于多源损伤信息能够有效降低损伤误判的可能性,获得更准确的损伤识别结果.     

基于小波分析的结构损伤检测研究进展

近10几年来,在土木和机械领域结构损伤识别方法已引起不同领域的相关学者的极大研究兴趣。小波分析是一种新的数学分析和信号处理工具,可以对非稳态信号进行详细的时频分析,是传统傅里叶分析所不能及的,已广泛应用于土木、机械和航空工程领域中,特别是在结构损伤识别和健康监测中的应用尤为突出。本文回顾和总结了小波分析理论及其在结构损伤识别、损伤定位和损伤程度确定中的应用,对今后的研究进行了讨论和展望。     

预应力混凝土冠梁计算模型

提出了一种基于预应力混凝土的基坑冠梁的计算模型,其基本原理是利用预应力的等效荷载作用,在基坑支护结构冠梁中采用预应力混凝土,对基坑支护结构提供主动支护作用。结果表明：采用预应力混凝土冠梁可以提高基坑支护体系坑顶的刚度,改善深基坑支护结构的受力,降低工程成本;计算模型简单,具有内撑和拉锚的功效,施工更方便,质量容易控制;预应力混凝土冠梁能够充分发挥预应力钢筋的抗拉作用,减小支护结构的顶部位移和增加悬臂式支护结构的支护深度;冠梁中的预应力钢筋能够回收和重复利用,经济环保。因此,预应力混凝土冠梁在基坑支护中具有很好的推广和应用价值。     

梁端局部无粘结钢筋混凝土梁抗弯承载力研究

为进一步研究梁端局部无粘结钢筋混凝土悬臂梁的抗弯承载力,在理论分析的基础上,使用ABAQUS有限元软件对局部无粘结梁与完好梁的承载力进行了仿真对比分析。结果表明,当局部无粘结梁与完好梁的配筋方式及材料力学性能一致、受拉纵筋锚固良好且可进入屈服阶段时,局部无粘结梁与完好梁的应变分布和应力历程有着明显的差异;局部无粘结梁的极限承载力高于完好梁;随着荷载的增加,无粘结梁的承载机理呈现出明显的“拱效应”。通过梁与拱的共同作用,建立了梁端局部无粘结钢筋混凝土梁抗弯承载力计算公式。     

基于缝宽-滑移理论的铝合金配筋混凝土梁粘结性能研究

铝合金筋与混凝土的粘结性能是影响铝合金配筋新型混凝土梁承载力的重要因素。对9根铝合金配筋混凝土梁和2根钢筋混凝土对比梁进行了静载试验,分析混凝土梁在加载过程中的裂缝发展情况,基于缝宽-滑移理论研究试验梁的粘结性能。研究结果表明:同级荷载作用下,钢筋混凝土梁的裂缝宽度小于铝合金配筋混凝土梁,钢筋与混凝土的粘结性能优于铝合金与混凝土的粘结性能;混凝土梁中纵筋所受拉力,实质上是混凝土开裂后,单元体内部粘结力的合力;纵筋与混凝土的粘结滑移量与粘结力直接相关,可通过代数和微积分计算得到二者的对应关系。     

横向预应力混凝土梁的抗剪性能试验研究

通过4根加配横向预应力筋的钢筋混凝土梁和1根普通钢筋混凝土梁的对比试验,初步考察了横向预应力筋对提高钢筋混凝土梁抗剪性能的良好效果。研究结果表明:(1)加配横向预应力筋并施加适当预应力之后,钢筋混凝土梁的抗剪承载力提高70%以上,即使在不施加预应力的情况下,梁的抗剪承载力也约有40%的增长;(2)在横向预应力筋的总截面面积一定的情况下,采用直径较小的横向预应力筋和较小的间距,更有助于改善钢筋混凝土梁的破坏形态。     

Frequency analysis of coupled shear wall assemblies

The finite strip procedure is used to predict the free vibration response of both planar and non-planar coupled shear wall assemblies. The solid walls are considered as vertical cantilever strips and a comparison is made between modelling the spandrel beams as discrete beams and as an equivalent continuum with orthotropic plate properties. It is shown that both approaches lead to essentially the same frequencies. The effects of vertical inertial forces and shear deflection are included, and structures considered may have properties that vary with height. The method presented appears to be more versatile than previously published techniques and numerical comparisons with existing methods indicate the predicted results to be accurate.     

电流变体-砂浆复合梁结构的振动特性研究

利用电流变体作为驱动元件与基体砂浆材料结合制成智能悬臂梁结构,调节施加在电流变体上的电压,用锤击法瞬态击振测定其在不同电场强度下的自振频率,对频率随电场强度的变化规律进行了研究。实验结果表明电流变片埋置位置对复合梁的整体振动特性的影响比较大。     

基于应变能耗储的钢筋混凝土框架结构地震损伤演化研究

结构地震损伤破坏,本质上是地震动输入能量超出结构或构件耗能能力所致。“能量”参数能够综合反映地震动强度、频谱特性以及强震持时对结构破坏的影响,本文基于能量耗散原理建立结构损伤模型,采用有限元软件ABAQUS对3榀单层单跨钢筋混凝土平面框架结构抗震性能进行数值模拟,通过损伤指数量化研究了地震作用下钢筋混凝土框架结构的损伤演化规律。研究表明:基于应变能耗储的结构损伤模型,能够合理有效地反映“位移首超破坏”与“累积损伤破坏”模式,且上、下界收敛;模拟分析得到的滞回曲线和骨架曲线与试验数据吻合较好,数值建模方法适用于以梁、柱构件为主的框架结构抗震性能分析;耗能构件框架梁能够对结构损伤破坏发展和抗震性能劣化起到一定延缓作用,承力构件框架柱的损伤加剧会加速结构抗震性能的劣化;加载幅值较小时,结构依靠混凝土裂缝闭合摩擦消耗能量,“位移首超破坏”所致损伤所占比例较大,随着位移幅值及循环次数的增加,“累积损伤破坏”所致损伤所占比例逐渐增大。     

麦积山石窟栈道地震动力响应分析及损伤评估研究

为研究麦积山石窟人行栈道在地震作用下的动力响应,选取154石窟处栈道作为典型结构,利用ABAQUS建立三维实体模型,充分考虑麦积山石窟地震环境条件,基于麦积山石窟窟区地震危险性评价结果,分析石窟栈道在50年超越概率63.5%、10%、2%水准所对应地震作用下的加速度响应、应力和损伤分布情况,进而对栈道结构抗震性能水准进行划分。结果表明,在地震作用下,栈道结构斜梯加速度响应明显大于平台板处加速度响应,平台板随其所处位置高度的增加,加速度响应峰值增大;栈道结构悬臂梁与岩体嵌固的端部混凝土应力数值较大,斜梯梁与悬臂梁相交处钢筋应力较大;随地震作用的增大,栈道结构混凝土拉压损伤出现范围和数值均呈增大趋势,且主要集中在悬臂梁与岩体嵌固端部,呈现出上部受拉、下部受压的典型破坏特征;基于栈道结构材料应力应变和构件损伤程度对其抗震性能水准进行划分,栈道在多遇(PGA=70 gal)、设防(PGA=240 gal)地震作用下,地震损伤评估结果均为轻度损坏,在罕遇(PGA=450 gal)地震作用下,地震损伤评估结果为严重损坏。该研究结果可为麦积山石窟栈道震损评估和加固设计提供科学依据。     

Residual structural capacity evaluation of steel moment‐resisting frames with dynamic‐strain‐based model updating method

This paper presents a method for evaluating the residual structural capacity of earthquake‐affected steel structures. The method first quantifies the damage severity of a beam by computing the dynamic‐strain‐based damage index. Next, the model used to analyze the structure is updated based on the damage index, to reflect the observed damage conditions. The residual structural capacity is then estimated in terms of changes in stiffness and strength, which can be applied by structural engineers, via a nonlinear static analysis of the updated model. The main contributions of this paper are in performance evaluation of the dynamic‐strain‐based damage index for seismically induced damage using a newly developed substructure testing environment, consideration of various damage patterns in composite beams, and extension of a local damage evaluation technique to a residual capacity estimation procedure by incorporating the model‐updating technique. In laboratory testing, the specimens were damaged quasi‐statically, and vibration tests were conducted as the damage proceeded. First, a bare steel beam–column connection was tested, and then a similar one with a floor slab was used for a more realistic case. The estimated residual structural capacities for these specimens were compared with the static test results. The results verified that the proposed method can provide fine estimates of the stiffness and strength deteriorations within 10% for the specimen without the floor slab and within 30% for that with the floor slab. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

损伤梁单元及其在RC结构构件非线性分析中的应用

本文介绍了一种基于损伤力学、断裂力学以及集中塑性理论建立的简化损伤梁单元模型。采用此单元模型,分析了实验梁在单凋加载下的受力性能,并与材料模型和弹塑性单分量模型分析结果进行比较。算例表明简化损伤粱单元模型对于RC结构构件的非线性分析有良好的适应性,可以有效地模拟构件的开裂、屈服和失效全过程;得到直接从力学意义出发的反映结构损伤的损伤内变量,对结构的损伤评估有启发意义。