结构局部应力场测量与其在模型修正中的应用

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1、第1章绪论1．1问题的提出重大土木工程结构，如大跨桥梁、大跨空间结构、巨型坝体、海洋平台等，它们的服役年限往往长达数十年甚至上百年。在这么长的时间内，由于环境侵蚀、材料老化、交变荷载等各种因素将不可避免地导致结构的损伤积累和抗力减弱，从而降低结构的承载能力、甚至引发灾难性事故【lJ。随着计算机技术、有限元模拟技术、信号采集和数据传输等技术的发展，以服役结构的状态评估为目的的健康监测系统研究已经成为土木工程学界的研究热点之一。结构健康监测是集动态监测、系统辨识和状态评估于一体的综合系统，通常是对大型复杂结构在外界各种激励下的响应进行监测，进而利用监测信息结合状态评估理论对结构进行健康诊断

2、，分析结构的损伤状况，最后对结构状态做出评估。该系统中涉及的关键技术主要包括三个方面(见图1．1)：(1)传感技术；(2)结构建模与诊断；(3)系统集成与应用。其中第二部分“结构建模与诊断”主要包括结构基准有限元模型的建立和修正以及损伤识别技术，是结构健康检测的核心【2】。数据采集与数I损伤与定位：II损伤删坌士—+处理子系统据I⋯⋯—一1个l传感器管-‘．毳足I子系统——■理1-!●．I腽丑y1防●卜修蒂耄数据传输子越刑修雨l7l⋯一一』系伏矧II。鼋鼋I子系统统．II安全评定馐I—f，^』-—nL一-J1i安全评定；图1．1健康监测系统示意图·准确的健康结构模型提供了结构在健康状态

3、的客观基准，是结构健康监测的先决条件f31，因此建立准确模拟结构行为的有限元模型有重要意义。但有限元模型与实际对象相比存在一定误差，如边界条件及连接条件的简化、儿何尺寸和材料本构参数中存在的不确定性因素等Hi，，使得依据结构图纸建立的有限元模型与实际对象间存在一定的差别，为了建立可靠的有限元仿真模型，利用结构实测数据对有限元模型进行修正的模型修正技术(modelupdating)得以迅速发展。、损伤识别是健康监测的核心【51，而损伤诊断和模型修正在研究目的和实施策略上具有很大的共性，模型修正和损伤识别最终都可以转化为结构参数识别的问题，可以说，模型修正具有损伤识别的潜在作用【6】，其具

4、体表现为：任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩l东南大学硕士学位论文阵等组成的力学系统，结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而导致系统的静态参数(位移、应变等)及动态参数(频率、振型等)发生改变【7J，所以，结构特征参数的改变可以视为结构早期损伤的发生。因此，模型修正方法也可用于结构参数反演和系统诊断领域18-121。基准有限元模型的建立是健康监测系统建造过程中的重要工作，如何基于实测响应信息对基准有限元模型实施修正以及进行结构参数反演无疑具有重要意义。有研究指出，结构的损伤在早期是局部现象【l41，初始损伤往往首先发生在结构热点区域，所引起的响应异常仅限于局部范围，对结构

5、整体影响不大【”】。很多研究17,13,16,171也表明，基于整体测点响应的模型修正仅适于识别一定程度以上的损伤，难以识别初始损伤。但初始损伤会对局部应力产生显著影响(如应力重分布等)，而应力、应变反映的多是结构的局部力学特性，在结构热点区域中，这些局部力学特性对损伤较敏感【6】。从建立早期损伤预警机制的角度考虑，对局部热点区域进行响应监测以及实施损伤识别和定位更为重要，具体表现为：1．从响应信息的获取方式来看，监测局部热点区域的响应信息比监测结构整体的响应信息更便捷。对结构整体进行测量时，不论是静力响应还是动力响应测量，均需要大量的传感器和采集设备，由于测试设备数量的限制，往往造成

6、测试自由度不足、测试信息不完备的后果。而对局部热点区域进行测量时，数据采集的经济性和操作性均要高于对结构整体的测量过程；同时由于测量区域规模较小，测量信息的完备性也较高。2．从测量信息的性态上来看，整体测量响应信息在信噪比上要劣于局部测量信息。由于早期损伤往往在局部区域发生，早期损伤一般仅对结构局部区域的刚度等参数产生影响，对远离损伤区域的结构响应影响不显著。同时，对结构整体实施测量时，测点信息受到环境的干扰较大，损伤引起的响应异常有可能被环境噪声的影响所淹灭，这对结构的损伤预警是不利的。而关键局部响应信息测量由于集中在一定的区域，对结构响应异常更为敏感。另一方面，进行局部测量受测量空

7、间变化而造成的环境影响较小，数据的可靠性更高。3．从模型修正的研究热点来看，局部精细模型的修正非常重要。大型土木工程结构服役过程中的损伤劣化是一个包含多物理尺度的过程。理想的有限元模型应该能同时考虑结构整体和局部热点区域的损伤演化过程，反演结构在不同层次不同尺度上的失效机理【7J，因此在数值模拟中，建立多尺度模型是很有必要的。目前基于子结构技术和约束方程技术的多尺度建模策略已经有了很大发展，但多尺度模型修正的研究尚且不多【8J。由于多尺度模型在