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(shí)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(cái)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(shí)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(shí)施提供精確的并且數(shù)量足夠的實(shí)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(shí)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(yàn)初步驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)動力測試等代靜力檢測的效果,從而增強(qiáng)了靜力檢測法的實(shí)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(diǎn)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(jì)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(shí)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(yàn)研究。設(shè)計(jì)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(yàn)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(yàn)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)證了動靜結(jié)合法的有效性。

(4)對稱信號法的試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(yàn)中一根損傷桿為算例,驗(yàn)證了該頻率方程的計(jì)算效果。

(5)通過3個鋼質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)的損傷試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn),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(diǎn)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(shí)施損傷識別時(shí)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(shí)際工程的健康檢測的實(shí)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