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張弦拱桁架結構基于模態參數的損傷識別試驗

時間:2020-05-08 來源:

引言

張弦桁架結構是由上部剛性拱桁架與下部柔性拉索通過中部撐桿組合而成的一種自平衡體系,具有受力合理、承載能力高、造型輕盈、跨度大等優點,被廣泛應用到大跨鋼屋蓋結構中。但張弦桁架結構規模大、服役期限長,所處環境狀況復雜,受到的荷載作用具有隨機性,發生損傷的潛在危險性較大。此類結構一旦出現損傷會對結構的正常使用產生影響,甚至可能引起連續倒塌,因此研究張弦桁架結構在運營期的損傷識別具有重要的現實意義。但張弦梁結構中存在拉索、撐桿和桁架等不同類型桿件,受力機理更加復雜,其損傷識別與常規橋梁式結構或多高層建筑結構存在明顯差異,目前針對張弦桁架結構的損傷識別尤其試驗研究很少。因此,針對張弦桁架結構基于模態參數的損傷識別方法開展試驗研究。


試驗模型設計

通過對某火車站頂棚結構進行縮尺簡化,設計制作了兩榀張弦桁架試驗模型。兩榀試驗模型結構尺寸相同,模型總長6m,矢高0.4m,垂度0.4m,上部采用倒三角立體桁架,每兩個節點之間由四角錐基本單元構成,結構中部均勻布置5根對稱的圓鋼管撐桿,下部布置直徑8mm的鋼絲繩拉索,并施加2kN預應力;試驗模型一端為固定鉸支座,另一端為滑動鉸支座,并在結構兩側設置剛架作為受壓桁架側向支撐(圖1)。兩榀試驗模型構件截面尺寸不同,模型1相對于模型2,桿件截面尺寸較??;荷載施加情況不同,模型1未施加外荷載,模型2在模型上弦桿布置質量塊模擬結構正常使用狀態的荷載(圖2)。試驗采用不同截面尺寸桿件替換正常桿件的方法來模擬結構損傷,即通過降低截面剛度的方法來模擬桿件損傷,根據桿件截面積喪失程度定義損傷程度。


 試驗模型尺寸 mm

試驗方案設計

試驗設計了弦桿單損傷、多損傷、索撐損傷等不同程度以及不同位置的損傷工況,通過動力檢測獲取試驗各工況前三階模態參數:采用單點拾振、多點激勵的方式進行試驗,即將加速度傳感器安裝在桁架上弦桿件的4號節點處,然后用力錘依次對1~14號節點進行錘擊,每個節點錘擊激勵1min,通過動態信號采集儀采集加速度信號(圖3);根據不同工況替換相應損傷桿件,依次采集加速度信號;接著利用TSTMP模態分析軟件處理加速度信號,獲取張弦桁架每個工況的頻率與振型等模態數據,以用于之后的損傷識別分析。


 錘擊激勵

本次試驗中通過改變構件的截面尺寸來控制構件的剛度,從而模擬構件的損傷程度,損傷程度由截面面積的損失程度決定。表1為各部件的損傷程度,圖4為測試模型的損傷圖。

表1 構件損傷程度



 試驗模型損傷


損傷識別結果分析


張弦桁架結構相對復雜,桿件繁多,可能發生損傷的部位較多,單一損傷識別方法無法一次檢測出結構各部分的健康狀態。因此將張弦桁架結構分為上部剛性桁架與索撐體系兩部分,針對各組成部分的特點,采用基于振動模態參數的組合識別方法對張弦桁架試驗結果進行分析:上部剛性桁架對結構整體頻率影響較小且桿件連續,運用曲率模態差(CMD)和模態柔度差曲率(MFDC)對其進行損傷識別;下部索撐體系桿件相對獨立且單元數量相對較少,通過選取正則化頻率變化率(NFCR)建立索撐體系頻率指紋庫的方法對其進行損傷識別。


曲率模態差是從結構各階模態振型入手,對結構的振型進行差分得到模態曲率,再通過計算結構損傷前后曲率模態的變化得到。模態柔度差曲率是從結構的柔度矩陣入手,由損傷前后結構的各階振型和頻率共同得到結構柔度矩陣差,再對其對角元素差分得到。上部剛性桁架進行損傷識別時,根據結構損傷前后的模態數據計算繪制曲率模態差和模態柔度差曲率曲線,曲線突變最大處判定為桁架桿件損傷位置。


正則化頻率變化率是從結構各階頻率入手,計算結構損傷前后的頻率變化率并對其正則化得到。由于其僅是損傷位置的函數,與損傷程度無關,因此建立頻率指紋庫時僅需考慮每個構件的一種損傷工況,減小了樣本量。索撐體系進行損傷識別時,首先建立索撐體系頻率指紋庫,即預先假定各種損傷工況并依據結構理論模型進行有限元分析,計算得到對應的正則化頻率變化率,從而建立頻率指紋庫;再由實測得到的結構固有頻率,計算某工況下的正則化頻率變化率指標,與頻率指紋庫進行對比,兩者最接近處判定為索撐體系損傷位置。



研究結論


采用張弦桁架的組合損傷識別方法分析試驗數據,得出以下結論:


1)基于前三階頻率的正則化頻率變化率指標可以有效識別索撐體系的損傷。但由于索撐單元均具有對稱性,因此正則化頻率變化率指標無法判斷對稱單元的損傷情況,需要進一步驗證。


2)曲率模態差法和模態柔度差曲率法均能夠較好地識別上部剛性桁架結構的單損傷和多損傷,但其對不同位置桿件的損傷識別效果略有不同。由于下弦桿直接與撐桿相連,受撐桿影響較上弦桿大,因此曲率模態差法和模態柔度差曲率法對上弦桿的識別效果優于下弦桿。


3)曲率模態差法和模態柔度差曲率法均可以通過曲線定性判斷上部剛性桁架桿件的損傷程度,損傷程度越大,曲線突變程度也越大。另外,越高階曲線突變程度差距越小,因此應利用低階模態數據定性判斷損傷程度。


4)與曲率模態差法相比,模態柔度差曲率曲線在非損傷位置突變小,曲線更穩定,受非損傷位置的干擾較少,識別效果更好?;谠蕉嚯A模態數據獲得的模態柔度差曲率,其曲線在損傷位置發生的突變越明顯,且基于前三階模態數據得到的模態柔度差曲率完全可以滿足損傷識別的精度要求。另外,越高階振型數據得到的曲率模態差曲線突變越大,但其受干擾也越大,一般運用前兩階曲率模態差曲線可以得到較好的損傷識別效果。

主持或參加科技部“十二五”科技支撐計劃、發改委重大專項、國家自然科學基金項目、中冶集團“三五”重大科研課題及總院重點研究課題等,涉及預應力技術及裝備、預應力結構、結構檢測鑒定改造加固及新型結構抗震體系等,同時很注重將科研成果與工程應用的有機結合,應用先進的結構及材料技術解決重大工程難題,主持完成50余項國家級或省部級重點工程的設計施工項目。


先后獲得國家科技進步二等獎1項,省部級科技進步一等獎7項,省部級科技進步二等獎5項;發表論文40余篇;參編專著1本;2項國家標準和規程的主要編寫人;獲得國家專利授權20余項。


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