汪菁[1]2008年在《深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统及其关键技术研究》文中研究指明重大工程结构的健康监测是保证工程结构在服役期间安全性的重要手段。当结构在使用的过程中,荷载的长期效应、疲劳效应和一些不可预知的突变效应使结构不可避免地产生损伤的累积和承载能力的下降,从而使抵抗自然灾害的能力下降,影响其正常的使用功能,在极端的情况下会发生灾难性的事故。对大跨度空间网架结构而言,风力是它的主要设计荷载。当出现大风时,有的空间网架结构会产生较严重的结构构件破坏。且随着结构损伤的累积,最终甚至会导致空间网架结构的倒塌或丧失使用功能。为此,建立风力作用下空间网架结构的健康监测系统,以实现对空间网架结构工作状态的及时了解和构件损伤的及时诊断,对于保证此类结构的使用寿命和安全是十分必要的。本论文以世界上最大的网架结构——深圳市民中心屋顶网架结构为工程背景,详细探讨了风力作用下大跨度屋顶空间网架结构的健康监测系统的设计理论和关键技术,研究了用少量传感器实现空间网架结构整体工作状态的自动报警、未知损伤的自动诊断和结构抗倒塌安全度的实时评定的方法和技术,并成功地在深圳市民中心屋顶网架结构上得以实现。据此,论文所提出的关键技术和创新工作有:(1)部分采用了精度高且具有耐腐蚀,防潮,抗电磁干扰等诸多优点的光纤光栅传感器作为传感系统,并根据健康监测系统的需要建立了智能光纤光栅传感系统。在此部分应用的关键技术是:采用了波分复用技术,即将相同解调类型的光纤光栅传感器连接到一根或者多根光纤总线上,通过总线上的各个传感器的调制信号的特征周期波长来询址。采用Ethernet通信方式将光纤光栅传感器的数据传输到数据库服务器中,使安全预警系统能够实时获取光纤光栅传感器的数据。并采用多线程技术编制程序获取解调器中的数据,来提高计算机的工作效率和数据获取的实时性。(2)为了通过网架结构上少量传感器的测量来得到整个网架结构杆件的工作状态,本系统采用“风压力荷载的识别→结构有限元模型的修正→实测结构响应峰因子→分析结构实时响应最大值”的途径。为了满足实时健康监测的要求,将此系统的工作分成“非实时”和“实时”两部分。非实时部分主要完成网架结构上全部风力荷载频域特性的识别、结构有限元模型的修正及各风向下单位风力荷载所引起的结构节点风致响应位移根方差的计算,并将其存贮于数据库中。实时部分主要通过传感器实时获取网架结构所在地标准高度处10分钟的平均风速和平均风向及根据网架结构构件10分钟响应的时程曲线计算获取峰因子,并调用数据库中此风向和单位风速下的结构节点响应根方差,实时分析得到此10分钟内结构构件最大响应值。在此部分应用的关键技术是:采用加权荷载本征模态分解法识别作用在结构上的脉动风荷载,获得了降阶的网架结构屋面节点上的脉动风荷载的功率谱密度函数矩阵。采用智能神经网络方法,建立了以节点联结刚度参数为修正值的网架结构有限元模型修正技术。最后,建立了依据上一个10分钟内的实时测量的结构响应,在这一个10分钟内进行实时结构工作状态分析和实时报警。(3)为了通过每个牛腿关键点上设置的应变传感器识别整个牛腿的应力场来获得整个牛腿的工作状态,采用了“实测待识别应力场关键点瞬时应变→计算待识别应力场在论域上的模糊子集→计算待识别应力场与各应力场模式的贴近度→贴近度最大的应力场模式就是待识别的应力场”的技术。此系统依据采样获取的牛腿关键点的瞬时应变,然后采用模糊模式识别的方法来进行钢牛腿瞬时应力场的识别。此部分应用的关键技术是:通过牛腿上关键点的应变识别出牛腿上的瞬时荷载,建立关键点应变与牛腿应力场模式之间一一对应的关系。同时用它作为表征牛腿应力场模式的特征指标。然后,根据先确定牛腿各应力场模式所对应的关键点应变,建立牛腿各应力场模式在论域上的模糊子集。最后,根据得到了牛腿应力场的模糊模式库,应用模糊模式识别的择近原则来确定牛腿某瞬时应力场所归属的模式。(4)牛腿的破坏将是网架结构倒塌的主要因素,是评定网架结构抗倒塌安全性的关键。因此,首先依据实测风速、风向和响应峰因子,识别牛腿上的支座反力;然后依牛腿极限承载能力来判断牛腿的破坏;通过在牛腿破坏条件下不在线计算所建立的网架结构破坏模式库,再依牛腿破坏情况实时调用来对网架结构的破坏模式进行识别;达到网架结构抗倒塌实时安全评定。本论文研究所创立的关键技术是用少量传感器实现大跨度复杂体型空间网架结构健康监测的有效方法,它可以在最经济的条件下实现对整个网架结构的全面健康监测和安全预警。具有显着的社会效益和经济效益。为网架结构的健康监测作了初步的探索和实践。具有一定的前瞻性和示范性。
毛永平[2]2003年在《深圳市民中心屋顶网架结构抗倒塌的安全评估系统的研究》文中研究说明过去，网架结构被认为是一种异常而非传统的结构，而现在却已被普遍地接受，成为一种既经济又美观的、深受喜爱的结构。网架结构具有空间刚度大、体系稳定、抗震性能好、受力合理等优点，但是网架结构的尺寸巨大、受到的载荷作用大多具有随机性，并时刻暴露在恶劣环境中，易受自然灾害的影响。 本文以深圳市民中心屋顶网架结构智能健康监测系统为实际工程背景，所有的分析研究工作围绕监测系统的辅助模块—网架结构安全评估系统展开。研究工作以工程项目的顺利完工为最终目的，所采取的研究路线为先就整个网架结构的整体承载性能出发，通过精确的有限元分析方法掌握结构在弹性工作阶段的工作状态，并通过分析计算结果寻求关键监测区域，即网架结构承载的薄弱环节。这样可以将网架结构的分析工作分为二部分：关键监测区域和一般区域，对于不同的区域采用不同的研究方法。对于一般区域，仅考虑结构处于弹性工作阶段，不考虑结构和材料的非线性特征。对于关键监测区域，不仅研究结构的正常工作状态，还应该考虑结构和材料的非线性性质和组件失效后对于整个网架结构的影响。 本文首先以空间杆系有限元法对整个网架结构进行在设计荷载作用下的静力计算分析，对网架结构的承载能力和结构的内力分布有一定程度的了解，并可初步确定网架结构监测的关键区域。前人研究成果表明，进行网架结构分析特别是非线性分析时节点选择刚接会使计算分析结果更为合理。因而以空间梁元有限元法对网架的固有特性进行计算分析，同时考虑各种边界条件对于结构固有特性的影响，以此为基础进行动力分析，考察网架在地震作用下的结构响应。 由于网架结构的杆件众多，结构支撑条件复杂，少数杆件或节点的破坏对于结构的正常承载无显着影响，本文在第四章将研究方向转向网架结构的支撑体系，计算分析网架结构支撑钢牛腿的极限承载能力和安全储备，为支撑系统的正常工作提供一个理论上限。在第五章中，假定在外荷载的作用下，网架结构的单个支撑钢牛腿出现失效，研究在牛腿失效瞬时结构在恒载作用下的承载能力和工作状态。 本文由于研究对象复杂，涉及面较广，使文章的结构显得比较松散，但始终围绕一条主线开展工作，即通过一定的研究手段努力探索出各种网架结构的临界状态，为健康监测系统的安全评估模块提供理论依据。
卢伟[3]2010年在《基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统研究》文中研究表明由于大跨空间结构多具有体型复杂,结构形式新颖等特点,其施工和运营阶段的安全性备受关注。结构健康监测系统是通过布置在结构上的各种类型传感器实测的结构响应信息,分析得到结构施工和运营阶段的工作状态,为结构施工和运营阶段安全提供预警及保证的作用。随着结构健康监测系统在实际工程中的应用,传感器的选型及优化布置、数据采集与处理、结构健康诊断方法、系统搭建等方面得到不断的研究和完善。本文在已实施的大跨空间结构健康监测系统的基础上,着重讨论了基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统,分别从系统的构成及其可靠性、结构整体信息的获取、传感器优化布置、传感器失效故障诊断、结构损伤程度识别等方面展开研究。首先,在已实施大跨空间结构健康监测系统的基础上,基于分散控制和现场总线理论,研究基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统理论框架。基于现场总线的结构健康监测系统是集中式结构健康监测系统的升级版本,具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、系统安全、维护成本低等优越性,使结构健康监测系统的搭建具有适应性、扩展性、模块化等特点,可为结构健康监测系统的搭建提供更为方便、灵活、统一的方法。本文根据现场总线的优越性及已实施结构健康监测系统的构成给出了基于现场总线的结构健康监测系统的组成部分与构成形式,根据传感器子系统和基本控制单元的故障率及它们的连接形式讨论了结构健康监测系统的可靠性,并以深圳万科中心结构健康监测系统为例,说明了基于现场总线的万科中心结构健康监测系统的几种搭建方式,通过对这几种结构健康监测系统的可靠性分析,论证了基于现场总线式的结构健康监测系统的可靠性高于集中式的结构健康监测系统,并且系统的可靠性随着分散程度的提高而提高。其次,以结构应变测量值为基础,提出基于应变测量值的结构健康监测方法。该方法以较少的应变测量值获取结构整体的应力分布为目标,根据按不同区域划分的子结构的相似性,对结构各子结构布置不同数目的应变传感器,通过校正基准子结构的应力分布而获取结构整体的应力分布,实现基于应变测量值的结构整体信息获取。本文运用主成分分析方法和系统聚类法对最优传感器布置杆件和在杆件上的布置点进行了选择,运用引入延拓概念的拟合方法对子结构的应力分布进行获取,并通过校正子结构应力分布的方法对其它子结构的应力分布进行获取,从而获取结构整体的应力分布。以深圳市福田交通枢纽中心钢结构为例,运用该方法进行了应变传感器的布置,对基准子结构应力分布和结构整体应力分布进行获取,通过有限元模型输出的理论值与预测值的对比,说明该方法对于相似性越高的子结构,其应力分布获取结果的误差越小。再次,基于数据融合技术,提出加速度传感器优化布置方法与加速度传感器失效故障诊断方法。该方法为结构健康监测系统有效和可靠运行提供了前提保证,同时为基于现场总线的结构健康监测系统的前端智能设备的实现提供了理论基础。运用一致性数据融合方法,以距离测度作为数据融合的融合度,通过对距离测度矩阵、支持度矩阵及综合支持度的计算,给出最终的融合结果。加速度传感器的优化布置是以模态参数识别的最优信息为目标,构造理论目标测量值,通过实测目标测量值与理论目标测量值的综合支持度计算,对初步选定的加速度传感器进行局部优化。加速度传感器的失效故障诊断是综合硬件冗余和时序冗余的原理,构造监测同一目标的不同时段的加速度传感器的频域能量分布矩阵,通过对其进行综合支持度的计算,识别失效故障的加速度传感器,并通过融合算法补偿该加速度传感器频域能量分布,以用于其它正常工作加速度传感器的失效故障诊断。以一网架有限元模型和国家游泳中心钢膜结构健康监测系统实测的加速度时程数据分别验证了加速度传感器优化布置和失效故障诊断方法的有效性和可行性。最后,以应变传感器和加速度传感器的测量值为基础,提出一种基于多类型传感器测量值的结构损伤程度识别方法。该方法充分利用了两种不同特性的传感器测量值,一种是反映结构局部特性的,一种是反映结构整体特性的,从不同角度对结构损伤程度进行识别,并提高信息的完整性,为结构损伤识别提供了更多的已知数据。本文给出两种基于多类型传感器测量值的结构损伤程度方法,第一种是根据应变传感器和加速度传感器的测量值对结构损伤程度识别效果的高低,运用D-S证据理论方法对这两种识别方法的识别结果进行权值分配,给出损伤程度综合识别结果;第二种是运用神经网络方法,直接将由应变传感器和加速度传感器测量值提取的损伤指标共同作为输入向量,通过最优神经网络结构的选择,得到损伤程度识别结果。通过国家游泳中心钢膜结构的损伤程度的识别,说明本文提出的基于应变传感器和加速度传感器测量值的结构损伤程度方法可以有效综合这两种类型传感器的测量值实现结构损伤程度识别。
肖纯[4]2006年在《工程结构远程健康监测系统的集成与数据处理研究》文中研究指明课题主要研究重大工程结构远程健康监测系统中的集成技术、不同软件平台之间数据共享技术和数据处理技术，其目标是集成一个实时的结构健康监测系统，属于工程结构健康监测的前沿研究领域。该课题的研究成功，为结构健康监测系统的工程应用奠定了理论和试验基础，具有较大的工程实用价值，将产生巨大的社会经济效益。 本文结合传感器网络技术、计算机网络技术、通信技术的发展和针对重大工程结构健康监测的特点，提出了基于有线传感器网络的新型远程分布式在线结构健康监测系统的集成技术，实现了多传感器的同步采样，达到对大型结构实时健康监测的目的，保证了大型结构使用的安全性。 研究并开发了重大工程结构健康智能监测系统的实验室原型试验平台系统的电致传感系统和光纤光栅传感系统的集成，实现了多传感器、多类型传感器的同步采样、统一数据管理以及不同软件平台之间的实时数据交互，为结构损伤的自动诊断和结构健康智能监测提供试验平台，从而使所研究的损伤诊断算法能在实际工程应用之前在实验室进行试验。为研究结构损伤诊断技术提供了试验支撑，该试验平台填补了国内工程结构损伤诊断试验技术的空白。 以深圳市市民中心大屋顶网架结构健康智能监测系统为工程背景，构建了重大工程结构的健康智能监测系统，研究开发了分布式远程监测系统中的数据共享和数据库管理技术，实现了对世界上最大的最复杂的空间网架结构的实时健康监测。 研究工程结构健康智能监测系统的数据处理方案，针对来自重大工程结构数据具有频率低干扰大的特点，根据实时分析需要设计了不同的Butterworth数字滤波器，同时对滤波过程中出现的波形畸变和毛刺现象进行了处理，并开发了滤波器设计软件，以利于根据工程采集数据选择合适的滤波器参数。由于采用数字滤波技术，从而克服了硬件滤波的缺点，保证了滤波器设计的可靠性，提高了设计的灵活性。 研究虚拟仪器技术在结构健康监测系统中的应用，实现了不同接口的仪器设备在虚拟仪器平台上的同步采集，建立了基于虚拟仪器技术的分布式采集与计算的结构健康监测系统。研究了基于虚拟仪器技术的数据共享技术和对结构模型进行损伤诊断的结果在局域网或Internet上发布的方法，并成功地在实验室试验平台上实现。 通过在平台上完成的输电塔法兰连接模型螺栓松动损伤诊断试验，证明了所开发的试验平台从硬件集成到软件开发是一个有机的整体，人机界面友好，实时性好，实现了结构的远程在线健康监测。
查小鹏[5]2008年在《高耸结构风致疲劳安全预警的理论和方法》文中研究表明桅杆、输电塔等高耸钢塔架结构受气候影响十分显着,风荷载是其主要荷载。由于结构的高柔性和风荷载的随机性,高耸结构对风的作用特别敏感,较易因风力引起的结构构件的疲劳破坏而造成整个结构的倒塌。考虑到结构构件的风致疲劳破坏是一种累积效应,若能建立起在结构构件达到80%或90%的疲劳极限寿命时就可告知用户的结构风致疲劳的安全预警系统,那就可据此更换构件,防止结构发生因风致疲劳造成的倒塌。由此可知,研究高耸结构风致疲劳安全预警的基本理论与方法有着重要的工程意义,能提高结构在使用中的安全保障能力。本文主要以桅杆结构为例,详细地研究了结构风致疲劳安全预警系统的各组成部分,探讨了结构有限元分析模型的建立、风振响应计算、结构动态荷载识别、模型修正、风致疲劳分析、结构安全预警的系统组成等内容。本文研究了桅杆结构非线性有限元模型的建立方法。推导了用多项式表达的纤绳等效非线性弹簧模型,同时研究了纤绳的多节点曲线索元模型。阐述了用梁单元和杆单元来描述的桅杆杆身有限元模型。研究了多维动力风荷载的模拟和时域内桅杆结构非线性静力、动力计算方法。本文的桅杆结构建模与动力分析方法也适用于输电线塔结构。动态荷载的确定是一个较难的问题,自由度多且具有非线性的桅杆、输电线塔结构的动态荷载识别更少有人涉足。本文提出了高耸结构等效二维动力风荷载的概念,建立了桅杆结构和输电塔结构考虑非线性的等效二维动力风荷载识别模型,针对桅杆等非线性结构动态荷载识别的特点,采用基于简化模型的直接识别法、基于精细时程积分的荷载识别法和基于模态分析的动态荷载识别方法较好地解决了桅杆结构动态荷载的识别问题。在结构安全预警系统中,有限元理论模型与实际结构模型的差异可能会导致预警失实而无效,因此需要进行模型修正。本文分析总结了常用结构有限元模型修正方法的优缺点和适用范围。根据高耸塔架结构的特点,以桅杆结构为例,基于规划优化的原理,提出了高耸结构模型修正的方法,建立了端部刚度可调的杆件单元模型,在此基础上以组合单元杆件形式的有限元模型为对象,对桅杆结构进行了模型修正。本文建立了高耸塔架结构中广泛使用的螺栓节点板联结节点的精细有限元模型,提出了一种优化等效的方法,以刚度矩阵的误差最小为等效原则,在把节点处杆件的半刚性联接等效为杆端截面抗弯刚度下降的基础上,得到了螺栓节点联结杆件的精细有限元模型与简化有限元模型的等效关系。本文研究了结构风致疲劳安全预警中的构件疲劳累积损伤和剩余寿命估计问题。阐述了适用于高耸钢结构疲劳分析的S-N曲线法和断裂力学方法,给出了桅杆等高耸结构风致疲劳累积损伤和剩余寿命的计算方法和步骤,论述了改进的简化雨流法的基本原理与程序实现,并分析了桅杆结构改善构件的疲劳性能和进行风振疲劳控制设计的方法,对一现役桅杆结构进行了基于S-N曲线法和断裂力学方法的疲劳损伤和剩余寿命仿真计算。基于结构动力风荷载识别、有限元模型修正和风致疲劳分析,本文对桅杆结构风致疲劳安全预警的系统组成和工作原理进行了研究。阐述了安全预警系统的工作原理和各子系统的功能,并研究了使用疲劳寿命计进行结构健康监测与安全预警的方法。
孙静[6]2006年在《桅杆结构疲劳状态的安全预警》文中研究表明桅杆结构是一类应用广泛的高柔风敏感结构,较易因风力引起的结构构件疲劳破坏而造成整个桅杆结构的倒塌。避免桅杆结构构件风致疲劳破坏的发生,保证桅杆结构的安全是已成为新世纪土木工程领域的一个前沿研究热点。本文以这样一个实际工程中的疑难问题为背景,对桅杆结构疲劳状态实时评估问题进行了系统的研究,提出了桅杆结构风致疲劳安全预警理论和方法。 目前,国际国内对于工程结构的安全预警理论的研究主要集中在水工结构和深基坑等施工结构上。对于桅杆结构风致疲劳安全预警的理论研究较少,基本是一个尚无涉足的领域。在桅杆结构风致疲劳的研究中,国际国内主要集中在桅杆结构风致疲劳的分析方法上,主要是为了解决桅杆结构的抗风设计问题,在桅杆结构风致疲劳的计算中所采用的动力风荷载是依据一定的人工概率模型而产生的某类动力风荷载,并不是真正的实时动力风荷载,因而它只能完成基于某种概率模型下对桅杆结构在使用期限内疲劳寿命的一个估算,而无法实现对桅杆结构每时每刻的实时风致疲劳状态的评估。要解决这个问题,必须建立作用在桅杆结构上的动力风荷载的识别方法。由于桅杆这类高耸结构的特殊性,在工程实际中只能布设有限数量的测点来量测其在动态荷载作用下的响应。因此,以桅杆上有限测点的实测风振响应来反演结构的动态荷载,是间接测量的一种途径。本文采用基于模态分析的方法,通过建立桅杆结构的线性化有限元动力分析模型,运用结构在模拟风荷载下的有限测点风振响应数据识别了作用在结构上的风荷载时程。 在对桅杆结构风致疲劳的计算中,所采用的有限元模型是理论模型,这与实际结构模型会有差异。对于桅杆结构的抗风设计,只要这种差异偏于安全即可。但在桅杆结构风致疲劳安全预警系统中,这种差异则会导致预警失实而失效,所以应建立一套桅杆结构的有限元模型修正方法。由于钢结构的模型误差主要体现对杆件连接刚度而非对杆件的物理尺寸的把握上,本文阐述了以构件节点连接刚度为修正指标的基于神经网络的结构有限元模型修正的方法。 本文以建立桅杆结构风致疲劳安全预警理论和方法为研究目的,在对桅杆结构进行有限元模型修正和载荷识别的基础上提出了桅杆结构风致疲劳实时评估方法。文中,对桅杆沿杆身高度分布的脉动风荷载进行了数值模拟;阐述
白音[7]2008年在《大空间钢结构火灾下受力性能与抗火计算方法研究》文中研究指明大空间钢结构以其宏伟的建筑造型、巨大开敞的内部空间等优点在我国得到了广泛的应用。由于钢材本身耐火性能较差,且造型美观等要求使得防火保护费用惊人,大空间钢结构往往不能直接按照普通钢结构的方法进行结构抗火设计。目前我国关于大空间钢结构抗火设计的研究还相当薄弱,现行规范的相关规定也少有涉及,因此,深入开展大空间钢结构火灾下的受力性能和抗火计算方法研究具有十分重要的理论意义和工程实用价值。本文结合理论分析、数值计算等多种手段,对大空间钢结构火灾下不均匀温度场分布以及典型结构类型的受力性能进行了较系统的研究,充分考虑结构的几何、材料非线性等参数影响,提出了相应的抗火计算方法。本文主要完成以下几方面工作:(1)通过与试验数据对比,确定了大空间结构数值模拟中火源模型等简化方法。系统研究了影响大空间结构内不均匀温度场分布的主要因素,并对几种温度场计算方法是否适用于大空间钢结构屋面附近空气温度场的计算进行了分析和讨论。(2)对大空间钢结构火灾升温过程中受力性能的计算方法进行了探讨,通过对比分析确定了结构钢材和高强度钢索在火灾高温下的材料属性,并以门式刚架钢结构为例,对此计算方法的有效性进行了进一步阐明。(3)提出了四角锥网架火灾下中心点位移的计算方法——修正拟夹层板法,并结合火灾下受力性能影响因素分析,得到了考虑不均匀温度场分布的临界温度计算表。在对单层网壳火灾下弹塑性承载力研究的基础上,提出了单层网壳火灾下弹塑性稳定承载力的简化计算公式。(4)推导了索桁架结构和鞍形索网结构火灾下竖向位移和预应力变化的计算公式。利用有限元计算分析方法对张弦梁结构火灾下受力特点进行了研究。给出了单层索网玻璃幕墙临界温度的取值方法,计算得到了适用于单层索网玻璃幕墙结构不同跨度、网格尺寸、钢索直径下的临界温度计算表。
刘伟[8]2009年在《空间网格结构健康监测系统关键技术研究》文中进行了进一步梳理空间网格结构是一种由杆单元和梁柱单元集成的空间叁维结构体系,具有受力合理、刚度大、自重轻、抗震性能好、工期短、造价低等优点,尤其能够满足建筑造型丰富、功能齐全等要求,被广泛用于大跨度工业与民用建筑及公共建筑领域,成为反映一个国家建筑科学技术水平的标志。由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等灾害因素影响,空间网格结构容易产生损伤累积和抗力衰减,甚至会发生破坏乃至倒塌的灾难性事故。因此,对大跨度空间网格结构在使用期间的健康监测以及各种灾害影响下的损伤识别进行研究,开发适合于大跨度空间网格结构的健康监测系统,具有重大的理论价值和现实意义。本文结合结构健康监测领域国内外发展现状,对空间网格结构健康监测系统关键技术进行了深入系统的理论研究,包括环境激励下模态参数识别理论、传感器优化布置理论、有限元模型修正理论、空间网格结构损伤识别理论,分别通过了数值仿真验证、实验室模型试验验证和实际工程现场实测验证,最终开发了一套功能强大的空间网格结构健康监测系统。对环境激励下结构模态参数识别理论进行了系统的研究,分别提出了环境激励下低阶时域模态参数识别方法的统一理论和环境激励下高阶模态参数识别方法的统一理论,揭示了不同方法之间的本质联系和不同点,完善了结构模态参数识别的系统化理论。比较了四种适合于环境激励下空间网格结构模态参数识别的方法,指出了它们优缺点及适用范围,验证了两类模态参数识别方法统一理论的合理性和有效性。针对目前传感器优化布置算法应用于空间网格结构的局限性,提出了一种基于改进遗传算法的传感器优化布置方法,以模态变形能和模态置信准则为适应度函数,提出十进制二维数组编码方式以提高数据存储量,为避免相同位置重复布置传感器引入强制变异算子,利用Guyan扩充振型与有限元计算振型均方误差大小评价传感器布置方案优劣,比较了不同测点工况下数据驱动随机子空间算法识别出的结构模态参数,指出了识别结构前若干阶模态所需的最少传感器数目。研究了结构健康监测领域常用的二种传感器优化布置方法,从数学的角度推导了模态动能法与有效独立法的理论相似性,指出了二者在具体应用中的不同之处,促进了传感器优化布置理论的统一化发展。从多自由度系统频响函数矩阵的模态展开式出发,推导了平均位移幅值、平均速度幅值和平均加速度幅值公式,在有效独立法的基础上提出了有效独立-平均加速度幅值法和有效独立-模态动能法,与有效独立法、模态动能法、有效独立驱动点残差法进行了比较研究,验证了两种方法的优越性。针对空间网格结构特点,提出了能够定量评估结构损伤程度的模态应变能损伤识别理论,采用非负最小二乘法求解超静定方程组,实现定量评估损伤程度,即保持了刚度矩阵的稀疏性,又不含除阻尼的任何近似和假设。讨论了测试信息完备和测试信息不完备两种情况下该方法对空间网格结构损伤的识别能力,并与基于最小秩摄动理论的损伤程度评估结果进行了比较研究,验证了方法的有效性。考虑空间网格结构杆件数目远大于节点数目的实际情况,提出了面向节点的基于叁层BP神经网络的多阶段损伤识别方法,将标准化固有频率变化率和振型向量变化量范数作为神经网络输入参数,根据各个节点输出的损伤值来判定结构损伤位置和损伤程度,以一平面桁架结构仿真算例验证了方法的合理性。针对钢筋混凝土空间网格结构,提出了直接利用损伤结构模态信息即可进行损伤识别的曲率模态曲面拟合方法,通过曲率模态与曲面拟合值的差异进行损伤定位,研究表明其适合于钢筋混凝土空间网格结构的在线健康监测。设计制作了一空间桁架结构试验模型,对其进行较为充分的静力试验、动力试验和损伤识别试验研究。提出了联合静动力数据的有限元模型修正方法,对初始有限元模型进行了修正,获得了基准模型。按本文提出的方法进行了传感器优化布置和模态参数识别,通过杆端螺栓节点连接失效和节点附加质量来模拟结构杆件和节点损伤,研究结果验证了前文损伤定位方法对空间网格结构损伤识别的有效性。探讨了将该试验模型作为空间网格结构Benchmark标准验证模型的可行性,为不同研究者验证空间网格结构健康监测关键技术提供了统一标准模型。以空间网格结构为对象,系统研究了结构健康监测系统的基本组成和监测内容,开发了基于LabVIEW的数据采集系统和基于Matlab的结构模态分析与损伤识别系统(SMADIS 1.0),实现了动态数据采集及预处理、环境激励下结构模态参数识别、模型匹配和模型修正、损伤定位及程度评估等功能,研究表明基于LabVIEW和Matlab二者结合的软件开发模式值得在结构健康监测领域推广。对一空间管桁架游泳馆屋盖结构进行了现场检测研究,提出了全面系统的检测方案,对其进行了整体结构检测、常规静力检测和环境振动试验,并进行静力核算。依据现场实测结构尺寸、荷载和边界条件建立了叁维有限元模型,进行了有限元模态分析。对比了四种适合于空间网格结构的环境激励下结构模态参数识别方法,对该结构的安全状态和工作性能进行了全方位评估,提出了加固改造维修方案,给出了相关结论。
鄢长伟[9]2006年在《大跨结构健康监测中脉动风压时程识别》文中研究指明随着科学技术的发展,土木结构正在向大型化、复杂化发展,大跨度的空间结构体系不断出现。而大跨结构体形复杂,受力不明确,计算模型很难反映结构的真实情况,所以对大跨结构进行健康监测是目前研究的一个热点课题。风荷载是大跨结构的控制荷载,风荷载的识别在大跨结构健康监测中占有重要地位,所以对大跨结构的风荷载识别进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。深圳市民中心屋面网架结构健康监测系统是世界上第一个大跨度屋面网架结构的智能健康监测系统,本文以该系统为背景对大跨结构的脉动风压时程识别进行了研究,并对深圳市民中心屋面网架结构进行了脉动风压时程识别。本文对荷载本征模态分解法进行了机理性研究,对不同的插值方法、不同的结构体形以及选择不同阶数的模态进行风压识别对识别结果的影响进行了细致的分析。另外本文考虑脉动风作用下各点的空间相关性,在荷载本征模态插值中提出了“相干加权插值”方法,并利用简单体形结构验证了该方法的有效性。以往的插值方法一般都是根据插值点和实测点之间的距离来确定两点的相互影响,并用距离作为权值进行加权插值,而本文提出的“相干加权插值”则考虑了脉动风的空间相关性,以两点之间的空间相干函数作为权值进行加权插值,具有更好的准确性和适用性。在深圳市民中心屋面风压识别的过程中,使用模态置信矩阵对几种测点布置方案进行了对比,确定了该结构进行脉动风压识别的测点布置方案,最终成功地对该结构进行了脉动风压识别。
金恩平[10]2011年在《空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究》文中提出空间网格结构是一种新型结构体系,近叁十年来在国内外得到迅速发展,愈来愈广泛地应用于各类公共建筑领域,成为国家或地区建筑科技进步水平高低的象征。然而,其兴盛背后也存在着安全隐患。许多工程事故分析表明,构建一套适宜于空间网格结构的安全性评价方法与标准,已经成为关注的焦点和亟待解决的课题。既有的结构安全性评价研究与应用成果多针对砖混结构、混凝土结构,空间网格结构尚处于起步阶段,很多方面有待于进一步深化研究。鉴于此,本文以国家自然科学基金项目《西北地区空间网壳-钢筋砼结构破坏机理及减震体系研究》(51068019)课题为依托,在分析空间网格结构损伤机理的基础上,通过理论分析、数值模拟和实例论证,对空间网格结构的损伤识别及其安全性评价方法进行了较为系统的研究。本文研究的主要内容如下:(1)通过对空间网格结构的结构特点、损伤类型与破坏形式的分析,给出了在役空间网格结构安全性控制的数学模型,以及在役空间网格结构安全性控制的主要对象、安全性控制参数与计算方法;(2)通过对既有传感器优化布置方法和空间网壳结构内力分布规律、结构损伤特征以及其结构健康监测工作方式分析,提出了适宜于空间网格结构传感器布置方法、损伤参数及其识别方法;(3)建立了空间网格结构不同类型构件截面积与结构荷载因子之间的计算模型,提出了确定此类结构杆件的权重计算方法,以及空间网格结构稳定性与结构构件(包括节点)之间权重分配方案和量化标准;(4)基于FUZZY数学综合评价原理,对既有模糊综合评价方法涉及的隶属函数和权重指标、综合评价数学模型、评判指标等问题的研究,结合空间网格结构特点,给出了空间网格结构的安全性评价程序、评价等级划分标准以及综合评价方法。研究结果表明:(1)在役空间网格结构的安全性评价,其结构荷载模型、荷载效应组合方式应按照现行结构设计规范执行,结构抗力模型可以主要考虑几何参数和计算模式因素的影响;(2)在役空间网格结构的安全性需要从结构杆件、节点、结构稳定性叁个方面加以控制,以现行结构设计规范为标准进行验算,其中结构杆件(包括节点)可以用构件内力作为控制参数,结构稳定性可以用结构承载力为控制参数;(3)可以分别采用静态应变分析法和基于动能原理的有效节点法,对空间网格结构及杆件基于损伤识别的传感器布置进行优化; (4)可以采用结构杆件损伤前后应变差值确定空间网格结构杆单元的损伤位置与损伤程度;以连接域面积为变量,采用杆件内力变化差为损伤参数,识别杆件节点的损伤位置与损伤程度;以结构损伤前后的节点位移与结构承载力之积的比值作为损伤参数,识别结构整体的损伤程度;(5)在安装与使用过程中,结构监测系统的仪器设备应采取有效的防范措施;健康监测系统的智能化程度,传统检测方法和现代传感技术的综合利用,是提高结构损伤识别精度与安全性评价效果的基本方略。通过K6型单层网壳试验模型和甘肃省庆阳体育馆大型复杂网壳结构工程实例的系统监测与安全性评价,验证了本文针对空间网格结构提出的损伤识别方法及其安全性评价方法的简便性和有效性。
参考文献：
[1]. 深圳市民中心屋顶网架结构健康监测系统及其关键技术研究[D]. 汪菁. 武汉理工大学. 2008
[2]. 深圳市民中心屋顶网架结构抗倒塌的安全评估系统的研究[D]. 毛永平. 武汉理工大学. 2003
[3]. 基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统研究[D]. 卢伟. 哈尔滨工业大学. 2010
[4]. 工程结构远程健康监测系统的集成与数据处理研究[D]. 肖纯. 武汉理工大学. 2006
[5]. 高耸结构风致疲劳安全预警的理论和方法[D]. 查小鹏. 武汉理工大学. 2008
[6]. 桅杆结构疲劳状态的安全预警[D]. 孙静. 武汉理工大学. 2006
[7]. 大空间钢结构火灾下受力性能与抗火计算方法研究[D]. 白音. 清华大学. 2008
[8]. 空间网格结构健康监测系统关键技术研究[D]. 刘伟. 哈尔滨工业大学. 2009
[9]. 大跨结构健康监测中脉动风压时程识别[D]. 鄢长伟. 哈尔滨工业大学. 2006
[10]. 空间网格结构健康监测与安全性评价方法研究[D]. 金恩平. 兰州理工大学. 2011
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