大跨网架结构损伤识别技术的研究与应用前景.docxVIP

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大跨网架结构损伤识别技术的研究与应用前景

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2.北京建筑大学北京100044

摘要：本文通过固有频率和曲率模态相结合的方式对大跨度网架进行损伤识别研究，从而建立起空间网架结构损伤识别的研究方法，为在役建筑提供一种安全预警机制。通过大型有限元软件SAP2000建立网架模型，以正规化频率变化率为损伤指标，通过固有频率的变化来判断大跨网架是否存在损伤，然后对发生局部损伤的位置通过曲率模态损伤识别技术进行精确地损伤定位。通过对数据的处理分析发现，固有频率可以检测大跨度网架是否发生损伤，但损伤位置的检测效果不太显著，而通过曲率模态差则可以比较精确地确定损伤的位置。

关键词：大跨网架结构；损伤识别；固有频率；曲率模态；

中图号：TU33

0引言

20世纪70年代以后，我国的经济实力得到了突飞猛进的发展，建筑业也面临着前所未有的重大机遇，大型的复杂结构也逐渐进入人们的日常生活中。在建筑行业中，钢结构因其众多突出的特点，被广泛应用在工业建筑及重大生命线工程，例如大型体育场馆，北京T3航站等。近些年来国家对钢结构的发展也出台了许多重要的政策，比如规定钢结构建筑从2012年占总数的6%增长至2020年占总建筑面积的20%等。因此，钢结构不仅具有重要的实用价值，而且因具有明显的空间力学特征。

1基于固有频率和曲率模态的损伤识别方法

如果结构发生损伤，则其结构的固有频率就会发生变化，所以可以将结构的固有频率看成是刚度和质量的一种函数。Cawley、Adams等人通过损伤前后结构的频率变化信息来判断结构的损伤位置。Salawu对固有频率的检测方法进行评估，并且指出结构是否发生损伤与固有频率存在着一定的联系。

固有频率对损伤的识别具有很多优点，比如测量误差小，方法简单等。但仅仅基于固有频率的变化对结构进行损伤检测往往达不到最终的要求，因此对结构进行损伤检测时，还要和其他的检测方法结合。通过近几年的研究发现，模态振型则包含更多的损伤信息，对结构的损伤定位也更加准确。模态振型指标有很多，比如MAC、COMAC、曲率模态振型等等。

2数值算例及分析

2.1模拟损伤方式

损伤模拟的方法有很多，比如折减弹性模量、在固定位置施加荷载、减小截面面积等等，本文则是通过折减弹性模量来模拟损伤。

2.2模型建模

通过大型有限元软件SAP2000进行网架的建模与分析，模型跨度86.08m，纵向长度为248m，高度为32.2m，支座为三向铰支座。模型的杆件材料采用Q235和Q345两种钢材，具体材料属性如下表所示，建立好的网架模型如下图所示。

表2-1Q235钢材和Q345钢材材料属性对比

材料属性

Q235

Q345

强度设计值(N/mm2)

215

315

屈服强度标准值(N/mm2)

235

345

弹性模量(GPa)

206

200

泊松比

0.3

0.3

图2-1网架整体结构形式

2.3模态振型

网架的振型可以在一定程度上为损伤识别提供一种直观的视觉感受。因此完好状态的前4阶振型图（采用SAP2000默认的变形放大系数）如下图所示：

图2-2完好结构第1阶振型图2-3完好结构第2阶振型

图2-4完好结构第3阶振型图2-5完好结构第4阶振型

2.4固有频率分析

基于固有频率的损伤识别方法，则以正规化频率变化率为损伤指标，上弦、下弦、腹杆分别损伤25%、50%、75%、100%，通过比较相同位置不同程度的损伤来对网架固有频率的变化进行观察，进而来判断网架是否存在损伤。

图2-6相同位置不同损伤程度正规化频率变化率

从表2-6中的正规化频率变化率来看，局部损伤对网架固有频率的影响小于1%，网架的局部损伤对网架的固有频率影响很小，仅仅能识别是否发生损伤，但对损伤位置检测效果不太显著。

2.5曲率模态分析

利用中心差分法计算出网架结构的曲率模态，通过比较前几阶的曲率差数据，发现第二阶较为明显，因此选取以下两种工况进行比较，其模态曲率差图形均取自第二阶模态。

图2-7单处损伤工况10曲率模态差图2-8单处损伤工况6曲率模态差

通过对上述两种曲率模态数据的处理结果可知，以曲率模态差为损伤指标，对大跨度网架结果进行损伤定位具有比较高的准确性。

3结论

局部损伤对网架的固有频率影响较小，可将频率的变化作为初步损伤的定位指标。曲率模态差可以识别出复杂结构的各种损伤，对损伤部位和损伤程度都能很好地判断出来。将固有频率和曲率模态相结合来用于损伤识别研究具有良好的发展前景，不仅可以精确识别损伤位置，还可以为在役建筑提供一种安全预警机制。

参考文献

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李超.网架结构焊接空心球节点损伤检测研究[D].河北.河北科技大学建筑工程学院，2012

[2]丁阳，张玉