带片状裂纹结构损伤识别的模态参数小波分析方法分析

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1、第一章绪论弟一早珀了匕1．1引言随着我国经济的高速发展，科技的飞速进步，现代社会的建筑正向大型化复杂化发展，如超高层建筑、大跨桥梁、大型厂房、大型网架、大型水坝及核电站等，在复杂的服役环境中，受到各种设计载荷，以及受到冲击、地震和腐蚀等各种外在因素的影响而使结构安全受到威胁。一旦这些大型结构因为损伤而导致了坍塌等恶性事故，将给人民的生命财产造成不可估量的损失。以桥梁为例，目前我国桥梁的安全形势总体上是好的，但前景却不容乐观。根据20世纪90年代术的统计，我国有40％的桥梁使用年限在25年以上。而依据美国官方统计，设计平均寿命为75年的桥梁实际使用寿命平均为40年左右：而德国对部分混

2、凝土桥梁的统计也表明，使用年限25年以上的桥梁46％至少存在～处中等程度以上的损伤。参照国外经验，我国目前大量桥梁已经存在损伤，如不加以控制，在未来10年至20年内，大量桥梁将达到使用寿命。由于我国桥梁老化现象己经比较普遍，再加上有些桥梁的设计、施工、运营、养护管理措施不力，又加速了桥梁老化。由于损伤是个积累的过程，有其发生、发展的不同阶段，刚发生的小损伤短时间内不会给结构造成很大的影响，但是损伤会降低结构的刚度和强度，随着损伤的积累，结构刚度以及强度会越来越低，最终整个结构都会发生破坏。由损伤引起整个结构系统破坏的例子数不胜数。1999年1月4同，重庆市綦江县连接东西城区的彩虹桥

3、整体垮塌，桥上行人全部坠入河中，致使40入死亡，14人受伤。导致事故的直接原因是：主拱钢管焊接存在严重缺陷，个别焊缝出现陈旧性裂痕，焊接质量不合格；混凝土强度不足，普遍低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面与钢拱架的拉索、锚片、锚具都严重锈蚀。2004年5月23日，巴黎戴高乐机场2E候机厅发生屋顶坍塌事故，造成包括两名中国公民在内的6人不幸遇难，多名旅客和机场人员受伤。事故调查委员会报告称，结构在恒载及外部作用(如温度变化)下产生裂缝并逐渐扩展，致使混凝土剥落发展成穿孔，壳体北侧出现弯曲破坏，南侧一根柱子上的拉杆破坏，从而加速了结构的整体坍塌。

4、{Ill1桥粱跨塌幽12机场候机厅坍

5、塌这些惨痛的工程事故使人们意彭{到，及时发现并正确评估结构在使用寿命期间存在的损伤，对于预防事故的发生有着极其重要的现实意义。另一方面，山于结构老化、腐蚀、疲劳而使结构的维修费用越柬越高，如果我们能及时的监测出结构的运行情况，准确的掌握结构的损伤状况，就可以及时修复结构损伤，避免灾难的发生．同时也可以减少维修需要的费用。据有关资料显示，我国在役结构中约有三分之一以上存在小同程度的损伤，有许多结构已经进入服役的后期．如不采取措施，到本世纪中叶，我国将至少有一半以上的结构会凼为安全度过低而退役。我国在经历了地震、火灾和洪水等自然灾害的惨痛教训后，也』r始重视对已有结构的诊断与评估工作。

6、从70年代中期以后，丌始丌展抗震鉴定-与)Jn同。随着结构抗震、抗风研究的发展，迸步开始结合可靠性评估与安全鉴定进行结构损伤渗断彭{别方面的研究。近几年，随着我国土木工程的※建和工程事故的增多，结构损伤识别与硷断研究已得到了极犬的重视。梁是土木工程结构中最常见的基本结构形式，而它们本身是否有损伤及裂缝存在是关系到整体结构是否能够安全运行的关键。因此，通过分析粱的力学性能，特别是分析它们损伤厉的动力特性，能够准确的识别出这些基本结构存在的损伤，对探讨建筑结构损伤识别原理及其损伤渗断方法具有重要意义。为此，本文选定带片状裂纹结构损伤识别的模态参数4、波分析方法作为研究课题。该研究得到了

7、国家自然科学幕{i；=(50578018)和湖南省优秀博士论文科研项日资助。12结构损伤识别的国内外研究进展损伤榆洲9技术罐先应用于机械、航空、航天工业上，随着振动理论、计算机技术、现代测试与信号处理技术的飞速发展，结构损伤训别的应用领域也在不断拓宽，并以其经济有效、可以反映结构整体性能、能够探测结构隐蔽部位缺陷的优点在土木工程结构等领域得到广泛应用。士术工程结构损伤识别的发展大致可以分为三个阶段。第一阶段，20世纪40年代到50年代为探索阶段，该阶段注重对建筑结构缺陷原因的分析和修补方法的研究，探伤工作大多采用以目测为{的传统方法：第二阶段，60年代到70年代为发展阶段，浚阶段注

8、重对建筑物识别技术和评估方法的研究，提出了破损识别、无损识别、物理识别等几十种现代识别技术，还提出了分项评价、综合评价、模糊评价等多种评价方法：第三阶段，80年代以来，则进入快速发展和完善阶段，这一阶段制定了一系列的规范和标准，强调了综合评价，并引入知识工程，使结构可靠性评估工作向着智能化方向迈进。我国的土木工程结构识别工作发展较晚。70年代中期以后，随着结构抗震、抗风研究的发展，才逐步开始结合可靠性评估和安全维修鉴定进行结构损伤识别方面的研究。在近几年，随着我国土木