基于动力特性的工程结构构件安全性评价

第 1 章 绪论

1.1 研究意义及背景
建筑物使用过程中由于材料自身的性能退化，导致结构内部出现缺陷等问题，同时，由于受到风、地震、疲劳、荷载等因素的影响，导致其出现使用性能降低的问题。这些都属于结构损伤，即均是由于各种原因导致的结构使用性能下降或损伤的存在。损伤可认为是结构特性的变化，材料特性，几何特性等结构特性的变化会对结构造成不利的影响，其中包括使用性能等。空间角度来看的损伤是材料自身的一些病害或缺陷等，是基于组成结构的材料层面，此种情况下的材料损伤是微观意义上的损伤；损伤是以健康情况作为基准，与完好状态的结构构件等进行对比。结构构件使用过程中产生的病害、缺陷等不利影响会逐渐导致结构层面上的损伤。另外，由于时间的不断累积，各种材料的疲劳断裂、腐蚀退化等工程问题的累积可能导致损伤，也有可能由于突发的自然灾害等因素所导致损伤。通常，工程上对结构实施损伤进行定期的测量，并对测量数据进行分析，提取有用信息，并对这些记录的信息进行统计分析，确定损伤指标，利用这些损伤指标来确定结构的健康状况。
房屋工程结构随着使用时间的增加，结构出现损伤和破坏已成必然。一方面房屋等建筑结构自己不能感知自然灾害，不能对灾害的不利影响做出有效的应对。针对目前这种随着结构使用而出现的损伤和破坏，必须考虑通过一定的检测手段来判断结构的损伤状况；另一方面，针对结构损伤状况明确后维护加固等工作，为使其开展更加高效、科学、费用合理，必须对结构的损伤状态、部位进行及时监测，来保证结构构件安全，以及人民生命财产不受或少受损失。这就对及时有效的加固或修复房屋结构构件损伤识别上的研究技术水平提出了极高的要求。对此，必须及时监测并结合准确的结构构件损伤识别的理论与方法，以便能够快速、准确地识别结构构件的损伤，进一步诊断结构构件损伤的位置、损伤的程度。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 基于动力测试的结构损伤识别与评定的国外研究现状
结构损伤识别技术是结构健康检测的重要组成部分。到目前为止，在结构损伤识别领域仍没有找到一种能够很好地解决损伤位置、损伤程度和结构使用寿命之间关系的方法。国内外学者在基于动力测试的结构损伤识别方法上对结构损伤识别展开了大量的研究，然而这些方法大多集中于解决的是 Rytter 所提出的识别损伤的存在、位置以及程度这三个问题。国外学者对结构损伤识别研究成果的补充综述中均有提及基于动力测试的结构损伤识别的研究。
损伤检测技术可分为局部检测和整体检测。其中局部检测方法是一些可视的或局部的试验方法，但是目前的局部检测技术，要求检测仪器能够到达损伤的区域，为了预先知道结构损伤的大致位置及其整体结构的损伤信息，则需要更为准确的检测方法，于是出现了一种基于振动测试的损伤识别方法，即整体检测方法，其解决整个结构特别是大型复杂结构的损伤识别问题均是利用损伤发生前后结构参数特性的变化来诊断结构损伤。随着计算机技术、振动理论、现代测试与信号处理技术等的飞速发展，结构损伤识别的应用领域不仅仅限于最初的航空、航天以及机械上损伤检测技术的应用，而是在不断拓展其应用范围，例如在土木工程结构等领域就得到了较为广泛的应用，这是因为损伤检测技术具有经济的优点，并且损伤检测还能够反映结构的整体性能，利用损伤检测技术还具有可以探测结构隐蔽部位缺陷的优点等。任何结构出现损伤时，结构动力特性参数也发生变化，这是因为结构是由质量、刚度、阻尼等物理特性参数组成的。因此，结构动力特性参数的改变即可作为结构损伤发生与否的标志。

第 2 章 结构动力特性测试的方法与分析

模态分析技术随着计算机技术的发展逐渐兴起，并且随着有限元数值方法的建立逐渐成为研究领域的主要导向，在此项研究中取得了很多成果。通常采用模态分析是为了研究系统物理参数模型，并进一步确定系统模型的理论情况及其应用情况，结构构件的损伤识别不仅涉及动态测试的内容，还涉及系统识别等很多学科，是建立在这些理论基础上的。

2.1 基于模态分析的损伤检测方法的理论
模态分析包含理论分析以及实验分析两部分。有学者通过研究得出损伤会使梁的刚度减小的结论，而且损伤位置处的曲率模态会发生突变，这一发现可应用于钢筋混凝土梁等损伤程度的研究，并且发现一、二阶损伤处的曲率模态突变明显，且试验结果与模态理论相符合。目前，模态分析研究范围已拓展到土木工程等领域，并且逐步成为几乎所有的工程结构进行动力学分析的方法，此项技术已经不再仅仅限制于应用在航空、航天等领域。
模态分析理论中通常采取“线性假设”、“时不变性假设”和“可观测性假设三种假设。
2.1.1 基于模态分析结构构件损伤的发现否。
通常振型中包含很多的损伤信息，因此利用振型可以判断结构损伤的存在与否。下面简单介绍振型判断结构损伤存在的方法：
2.1.2 基于模态分析结构构件损伤的定位
1. 基于自振频率的定位检测自振频率的变化来判断结构构件是否存在损伤的方法是可行的，因其参数测量简单，另外自振频率的结果容易得到，测得的自振频率的大小是与测量位置无关的，且在各种动力特性参数中，自振频率的精度最高。同时，自振频率测量的误差比振型测量和阻尼测量的误差都小，因此，根据自振频率的变化情况对结构损伤进行诊断的方法是可行的。很早就有学者提出了将自振频率作为结构损伤识别的检测方法。通常损伤的出现会导致结构构件的刚度发生变化，进而影响结构构件的自振频率。因此，可以通过自振频率的变化来检测构件损伤的存在与否以及损伤程度。

2.2 结构动力特性参数的试验与分析
2.2.1 实验方案

实验采用自制钢筋混凝土梁，针对钢筋混凝土梁相应的参数作为研究对象，并利用橡胶锤进行激励，采用加速度传感器拾取系统产生的振动响应。然后，利用东华测试动态信号采集仪数据采集系统将橡胶锤激励和结构响应的时间历程进行采集，采集完毕后运用信号处理系统进行时域法的模态分析，来获得系统的模态参数。测试流程如图 2-1所示。
2.2.2 试验的基本过程
1. 激振设备 在实验测试的过程中，采取锤击激振的方法可能对钢筋混凝土简支梁造成过度的破坏，故所需的激振设备需考虑激振力大小的问题，避免试件破坏的问题，因此针对该试件动力测试实验的过程，激振设备选用橡胶锤。
2. 拾振设备 采用加速度传感器作为拾振设备。试验操作方便，不需要激振器和信号放大器，使激振系统大为简化，并且所用激励和拾振设备对试件没有过大的附加质量、附加刚度，避免了实验误差的发生。试验中由于钢筋混凝土梁的质量较大，故不选用压电式传感器。
3. 模态分析方法 采用单点激振的方法，多点布置加速度传感器拾振的模态分析方法。
4. 测点的选择 为准确确定测点的数目和布置情况，需要考虑结构构件的特点，并结合实验的目的来进行测点的布置。

第3章 动力特性测试数值模拟 ................ 21
3.1 动力特性测试数值模拟有限元模型 ......................21
3.2 钢筋混凝土简支梁有限元分析 ........21
第4章 梁动力特性测试设计与试验 ............................. 31
4.1 试验目的..................31
第5章 损伤识别误差的影响分析及工程中采取降低误差的措施 ........................ 40
5.1 基于动力特性检测损伤识别的误差来源 .......................40

第 6 章 基于动力特性结构构件性能评定的工程应用

6.1 结构构件性能评定现状
在实际工程中，随着结构构件的使用过程（包括服役年龄、环境因素等的影响），结构构件的荷载 S 和抗力 R 随着时间发生一定的变化。为了保证结构构件在使用过程中的安全，同时也为构件养护、维修等提供更为科学的判据，必须通过理论计算分析、现场实际检测等一些必要的措施，进一步揭示出钢筋混凝土梁等结构构件的基本性能。可利用对结构构件的基本性能的评定，来预测未来结构构件的可靠性等信息。工程结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三个方面。结构构件安全性评定主要针对结构构件承载能力的评定，结构构件安全性评定是结构构件评定的主要内容，此评定关系人身、财产安全，对工程实际十分重要。而结构构件适用性评定则是在正常使用荷载作用下，通过对结构构件的变形情况、振动情况、裂缝情况等因素考察，根据考察结果来分析结构构件是否具有足够的刚度和使用性能等。耐久性评定则是基于安全性评定和适用性评定二者的基础之上的，在适当的分析方法下，实现对结构构件在正常使用条件下结构构件可靠性的情况，以及采取了维护措施的条件下和随时间增长的情况下结构构件可靠性的情况。目前，针对于结构构件性能的评定，大多采取的是依据相关规范、依据工程实际的结构构件评定的方法来进行 现有结构构件性能评定的理论与方法分析。

第 7 章 结论与展望

7.1 结论
本文通过试验研究与有限元模拟可得出的结论有：
1. 损伤的存在使构件的刚度减小、固有频率降低，且跨中破坏较其他部分破坏的自振频率下降的多；随着裂缝深度的加深以及损伤位置的增加自振频率下降的越多；
2. 从本文研究所示，在自振频率较完好状态降低约 18%时，结构构件约出现40%的损伤，在自振频率降低约 50%时，结构构件约出现 80%的损伤，在自振频率下降约70%时，认定其达到极限承载力，此时的钢筋混凝土梁发生了破坏。

7.2 展望
通过对钢筋混凝土梁动力特性的测试，得出了一些值得参考的结论，也发现了一些问题，基于动力特性测试的结构损伤识别与性能评定这一方法是可行的，但由于这一课题涉及内容广泛并且由许多复杂因素，导致其不能很好的应用到工程实际，虽然本文进行了较为系统的研究，但还有很多方面的研究需要进行，对各种因素经过分析后，我找出以下几方面：
1. 综合考虑外界条件（使用条件、周围环境）以及自身条件（模型的误差，材料特性）的影响的情况下，分析动力特性参数结果与损伤识别的关系；
2. 本文对裂缝的处理是比较近似的，若想得到更为准确的结果，则需要选用更为合适的模型，建立更为准确的数值分析；
3. 动力测试过程中，多处损伤与自振频率之间的关系是复杂的，需要对此进行更深入的研究，从而进一步完善动力测试法。
参考文献（略）