网架结构损伤的数值模拟分析

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会网架结构损伤的数值模拟分析程荣殷志祥李传增(辽宁工程技术大学土木建筑学院．辽宁阜新1230。)摘要：常用的损伤定位参数有额率、应变模态、曲率模态和位移模态等，而对于多杆件多节点的网架结构来说，单个杆件的掼伤对整体模态信息影响较小．斟此并不是所有的参数都适用于网架结构的损伤定位。本文以一正放四角锥网架为研究对象，使用有碾元分析软件A弼Ys对该列架进行横志分柝，验证了频率、位移振型和轴向应变变化率不是很好的损伤定位参数。在此基础上提出了另_个损伤定似参数，即在主自由度方向上．基于完好结构和受

2、损结构节点位移之差构造的损伤因子参数．井针对不同的损伤情况进行模拟验证，能较准确的定位出网架的损伤位置，为网架的动力检测分析提供依据。关键词：网架．损伤，参数，损伤闻子，动力检测一、概述由于设计施工不当、材料老化、各种荷载作用等因素造成结构的累积损伤，使结构承载力下降，在使用期内，其安全性能受到威胁。了解结构破坏之前的损伤状态，为其安全决策提供依据，是当前研究的热点问题．即结构损伤识别与检测。‘目前，研究人员提出了许多结构损伤识别方法，主要有(1)基于静态测试数据的静态识别方法(2)基于动态测试数据的动态识别方法。前者

3、主要是适用于简单构件，和局部损伤检测，存在应用条件限制，和工作效率相对铰低的特点。基于动态测试数据的动态识别方法，是利用对于工程结构容易实现和量测的结构动力响应进行结构性态识别的方法。适用于杆件众多，多自由度的大型结构。结构参数包括物理参数和模态参数。模态参数是像固有频率、模态振型、应变模态等。物理参数像质量、阻尼、刚度等。结构物理特性的改变(损伤)会引起系统动力响应的变化，也就是结构发生损伤必然引起模态参数的改变。所以有反问题的研究，即根据模态参数的改变可以指示出结构发生损伤。选取什么样的参数，是研究问题的关键。前人

4、有通过曲率方法‘11来对受弯结构的擐伤定位；有通过应变参数‘21构造轴向应变变化率对网架进行损伤定位，但是，文中用轴向麻变变化率区分损伤和非损伤位置并不是很明显。受到受损前后节点位移发生变化的启发，由完好结构和受损结构节点位移差值的均方可以构造出损伤因子，(曲，经过验证，使用这个参数可以使损伤位置突显出来。籍此提出一个新的损伤指标一基于完整结构和受损结构节点位移差值均方的损伤因子，(J)。二、模态参数的分析由截面曲率妒”与弯矩．截面抗弯刚度量V的关系为矿”=肘／日，由此可知，当结构出现损伤时，E，减小。矿”增大，因此可

5、以根据杆件截面的曲率参数来定位损伤。在结构有限元离敖模型的振动模态分析中可以得到等间距离散单元节点处的位移模态振型，通过中央差分方法近似得到结构离散曲率模态振型p工业建筑2007增刊104S第七届全国现代结构工程学术研讨会、∥=}等竽掣谚一。，谚，谚+。为第i一1，f，f+1点的位移模态，△为相邻节点的杆件长度。(1)因为}IlI率‘”应用于构件可以承受弯矩作用的连续结构，而阿架或桁架结构主要承受轴力作用，很少考虑或根本不考虑弯矩作用，所以文献【2]提出轴向应变变化率的概念∽=坠竽燮黼型竺趔=警，砌由文献[4】知，有限

6、元模型与真实结构之间存在误差，只有在低阶频率和振型中才较高的精度。所以．本文采用r=1时来研究轴向应变变化牢。正，(，)为r=l时，网架的节点的应变变化率；【，x；J(r)，砸。(，)，Ux』+l(r)为在r=1阶频率时，杆件在f一1，f，f+1点处的x向位移模态幅值；t为z向杆件长度。同理可得出在y，z向的轴向应变变化率。本文经过研究，提出了一种依赖完整结构节点位移的损伤因子方法。设完整结构的杆件的某节点A坐标(‰，y。，z0)，损伤后A7的坐标为(《，y：，z；)，￡。=％一z：为杆件相对完整结构的x向轴节点位移，

7、同样在Y向和z向也是一样q=yo—yo，￡：=zo—zo．根据ExcEL图表显示，通过这种方法也不能直接很好的定位出损伤，但是除了Y向的变化率数值。x和z向的轴向变化率还是有一定的损伤定位的能力的，这是因为该网架结构的主自由度方向是x和z向决定的．于是想到可以尝试使用x和z向的轴向变化率均方和，来突显损伤位置与完好位置的区别，把它定义为损伤因子r。，即y。=s。2+F：。。三、ANSYS对网架的损伤模拟及分析目前最常用的损伤模拟主要是弹性模量的降低，以一个取层正放四角锥网架为研究对象，进行摸态分析．从中找出不同工作状态

8、下模态参数的规律性。利用ANsYs程序进行该网架的模态分析时，钢材选用Q235，弹性模量E=2．1×10“pa，泊松比口=O-3，质量密度盯=7800论，m?，秆件单元选择LⅢK8单元，该网架结构尺寸为：40mxlom×2m(长×宽×高)，网格尺寸为：1m×lm：网架高度2Ⅲ．施加重力加速度g=9．8Ⅳ，妇。网架是高次超静定结构一