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原文传递基于索力和曲率模态的大跨斜拉桥损伤识别研究

论文题名：	基于索力和曲率模态的大跨斜拉桥损伤识别研究
关键词：	大跨斜拉桥;拉索结构;桥梁检定;损伤识别
摘要：	大跨桥梁是重要的基础交通设施和生命线工程,随着已建桥梁年代越来越久、新建桥梁跨径越来越大,桥梁的安全问题更加突出,桥梁垮塌事故在世界各地时有发生。为了尽可能地避免非极端荷载下的桥梁垮塌事故,可采用结构健康监测技术。健康监测技术的核心是损伤识别,在斜拉桥损伤识别研究中,拉索索力和曲率振型都是损伤敏感量。但是,包含索力相互影响数量关系的影响矩阵尚未应用于损伤识别;关于曲率模态对整体刚度退化以及稀疏测点下识别能力的研究甚少。本研究主要内容包括：　　⑴提出索力影响矩阵结合全桥索力变化的拉索损伤识别方法。引入前人基于缺陷长度的预应力结构静力分析方法,得到拉索退化状态的等效缺陷长度改变量;将缺陷长度—索力影响矩阵转化为易于测量的索力影响矩阵,通过该矩阵和全桥索力变化求得拉索的等效索力施调量,证明了索力等效施调量是否为零与拉索是否损伤的一致性,提出以索力等效施调量与初始索力之比作为拉索损伤指标用于估计拉索损伤程度。无预应力部分刚度越大,该拉索损伤指标的准确性越高。该方法经过滨州黄河大桥缩尺模型的数值模拟和实验验证,对于多拉索损伤工况识别效果良好。　　⑵提出采用绝对曲率差,即损伤前后曲率振型绝对值之差作为损伤指标,引入模态惯性力的概念讨论了曲率模态不能识别整体刚度退化的问题。提出了新的曲率振型规格化方法及端点曲率估计方法,并引入曲率模态乘子矩阵以方便位移振型向曲率振型的转化。以一根两端分别为固支和铰支边界的梁为例,研究了各位置损伤所引起的曲率振型变化形式,并通过抗敏性指标和显著性指标研究了曲率变化在不同阶数、不同测点密度下对损伤的指示能力,指出曲率零点附近的识别失效原因在于曲率变化不明显。通过算例说明曲率变化可以指示连续损伤中相对严重的损伤位置,这对于结构及时维护具有实际意义。　　⑶提出了采用k-means聚类算法对动力相似自由度进行自动集结的传感器选点方法和模型降阶方法。考虑动力荷载空间分布,给出了根据模态参与系数选取原模型重要模态的方法,根据重要模态中各自由度振型值的相似性应用聚类算法对自由度进行自动分类集结。各集结自由度几何中心处的代表点可以作为传感器布置位置;从柔度矩阵元素的定义入手推导了结构矩阵显式条件下柔度法降阶的统一表达式,并证明了降阶矩阵的正定性、对称性及正交关系。通过一斜拉桥单跨主梁的简化模型算例说明了传感器选点和柔度法降阶的可行性。　　⑷在滨州黄河大桥缩尺模型的有限元模型和实验室模型中,分别以主梁单元刚度折减和拆除主梁连接件的方式进行了主梁损伤识别研究。损伤工况特征振型分析表明,低阶曲率振型识别损伤位置的可靠性更高,而高阶曲率振型对损伤的高敏感度往往伴随误判;多损伤时曲率振型较大位置的损伤指标可能掩盖曲率振型较小位置的损伤指标;一阶对称模态比反对称模态对于中塔附近位置的损伤指示性更好。进行了损伤识别的有限元仿真,采用从风振响应中以复Morlet小波识别的振型研究了信噪比、损伤位置、损伤程度对识别效果的影响。在有限元研究的基础上，进行了损伤识别实验,模型损伤实验结果与有限元模拟结果的若干特征基本吻合,实验中低阶曲率振型对单损伤和双损伤工况识别效果较好;实验结果还表明,当传感器位于振动不稳定位置时,该传感器不能参与基于曲率模态的全局损伤识别。
作者：	李成涛
专业：	结构工程
导师：	欧进萍;肖仪清
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文