鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷實用方法研究

李國東

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

鋼結(jié)構(gòu)損傷診斷實用方法研究

李國東

(中國地震局工程力學(xué)研究所,哈爾濱 150080)

土木工程結(jié)構(gòu)在長期的服役過程中不可避免地遭受損傷,損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗力衰減,極端情況下會引發(fā)工程事故,造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此,對結(jié)構(gòu)的損傷識別法進(jìn)行深入的研究意義重大。目前,結(jié)構(gòu)損傷識別研究雖然已取得了一些成果,但可用于工程實踐的損傷識別方法卻很少。究其原因,多數(shù)損傷識別方法存在兩個重要缺陷,一是現(xiàn)有的工程檢測技術(shù)無法為損傷識別方法的實施提供精確的并且數(shù)量足夠的實測數(shù)據(jù),二是多數(shù)損傷識別法缺少用于判斷結(jié)構(gòu)損傷的代表結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的基準(zhǔn)。針對上述問題,本文提出了3種實用結(jié)構(gòu)損傷診斷方法,并利用鋼桁架、鋼殼等結(jié)構(gòu)模型的試驗初步驗證了這些方法的有效性。以下是本文的主要工作。

(1)提出并總結(jié)了3種用于結(jié)構(gòu)損傷識別的新方法:對稱信號法、動靜結(jié)合法和樂音準(zhǔn)則法。①對稱信號法是基于對稱信號法基本原理的損傷識別方法,該方法適用于結(jié)構(gòu)中滿足對稱條件的桿件間的損傷識別,它是基于局部檢測的損傷識別方法,損傷識別的靈敏度高并可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷定位。②動靜結(jié)合法適用于滿足對稱條件的多個梁式結(jié)構(gòu)間的損傷診斷,動靜結(jié)合法本質(zhì)上實施的是整體結(jié)構(gòu)的靜力檢測法,但動靜結(jié)合法依據(jù)動、靜參數(shù)的相關(guān)關(guān)系可以實現(xiàn)動力測試等代靜力檢測的效果,從而增強了靜力檢測法的實用性,其健康基準(zhǔn)是我國現(xiàn)行規(guī)范中結(jié)構(gòu)變形的限值。③樂音準(zhǔn)則法是一種基于結(jié)構(gòu)頻譜分布規(guī)律的損傷識別方法,此方法適用于均質(zhì)、規(guī)則結(jié)構(gòu)的損傷診斷。規(guī)則結(jié)構(gòu)的頻譜分布具有譜圖清晰、峰點分布呈梳齒狀的特征,類比樂音現(xiàn)象將這一頻譜特征定義為結(jié)構(gòu)的樂音準(zhǔn)則。樂音準(zhǔn)則即為樂音準(zhǔn)則法的結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)。以上3種損傷新方法均具有嚴(yán)格的工程適用條件,無需復(fù)雜的反演計算,具備判別損傷的結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn),用于損傷識別的結(jié)構(gòu)參量具有較高的工程測試精度,因此這些方法具有良好的工程實用前景。

(2)對一個典型的梁式鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷相關(guān)的試驗研究。設(shè)計建造了一個8 m長的鋼桁架結(jié)構(gòu),通過不同截面桿件的輪換可構(gòu)造出多種損傷工況。通過試驗獲取了鋼桁架結(jié)構(gòu)的剛度、固有頻率、阻尼、振型等基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。在參數(shù)識別的精度和可靠性上,一階頻率和剛度明顯優(yōu)于其他參數(shù),并且二者的改變量與桁架的損傷程度單調(diào)對應(yīng),因此用其作為結(jié)構(gòu)損傷識別法研究的損傷標(biāo)識量。

(3)通過鋼桁架的動、靜力聯(lián)合試驗驗證了動靜結(jié)合法的有效性。通過桿件組合構(gòu)造了12個具有不同損傷的桁架結(jié)構(gòu)樣本,用試驗方法獲取了各樣本結(jié)構(gòu)的剛度和一階頻率,采用一元正態(tài)線性回歸的數(shù)學(xué)模型建立了代表剛度與一階固有頻率相關(guān)性的數(shù)值關(guān)系式。初步驗證了動靜結(jié)合法的有效性。

(4)對稱信號法的試驗驗證及單裂縫損傷模式下兩端固支梁的固有頻率解析式推導(dǎo)。在鋼桁架上選取若干對稱桿件進(jìn)行了4種損傷工況的動力測試,試驗結(jié)果顯示對稱信號法能輕易地識別桿件的各類損傷,具有很高的靈敏度。采用一個質(zhì)量忽略不計的抗扭彈簧來模擬梁中的裂縫損傷,推導(dǎo)了單裂縫固支梁的頻率方程,并以鋼桁架損傷試驗中一根損傷桿為算例,驗證了該頻率方程的計算效果。

(5)通過3個鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)的損傷試驗驗證了樂音準(zhǔn)則法的有效性。用3個相同的鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗,通過振動測試獲得了3個鋼殼的頻譜分布規(guī)律。無損的鋼殼結(jié)構(gòu)的頻譜具有譜圖清晰、峰點分布呈梳齒狀等特征,這與樂音準(zhǔn)則法中樂音準(zhǔn)則的特征相符。實施損傷識別時僅需將3個鋼殼的頻譜置于一個坐標(biāo)系下進(jìn)行對比即可輕易地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷。

(6)空間鋼網(wǎng)架屋面結(jié)構(gòu)的工程健康診斷。結(jié)合兩個實際工程的健康檢測的實施過程,對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)健康診斷中的若干問題進(jìn)行了總結(jié)與分析。對于承載力存在問題的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用靜力加載法可以獲得滿意的健康診斷效果。振動檢測用于結(jié)構(gòu)振動問題的分析十分有效。

鋼結(jié)構(gòu);損傷診斷;對稱信號法;動靜結(jié)合法;樂音準(zhǔn)則法

P315.9;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2011.02.014