梁桥混凝土开裂的非线性振动及损伤识别

摘要

本文首先从结构开裂模拟方法入手，总结了结构健康监测领域关于结构开裂模拟的各种方法：局部刚度折减、分离的弹簧模型以及二维或三维复杂模型，通过比较找出了最适合模拟结构实际开裂的方法，并用前人研究的实验数据验证了其可靠性。 接着，通过在有限元模型中引入非线性单元，模拟了裂缝“开合”效应在单自由度体系和带裂缝的悬臂梁结构中的影响：即结构在振动过程中，由于裂缝一张一合而引起的非线性效应对结构振动响应的影响。分析表明裂缝“开合”效应给结构动力响应带来最大的特点是高次谐波扰动的出现。自由振动时，由于裂缝的“开合”，结构瞬时频率不断在完好结构频率和裂缝完全张开时的频率之间来回变化。裂缝损伤程度越大，瞬时频率变化的带宽也越大。在外力谐振荷载作用下，裂缝“开合”引起的非线性效应能明显体现出来。将结构动力响应信号进行EMD分解，提取了反映损伤程度的指标能量扰动比C<'E><,disturb>：IMF分量在相同时域范围内的能量比。通过比较结构上不同位置响应信号的能量扰动比C<'E><,disturb>，C<'E><,disturb>具有初步判断损伤发生位置的潜力。 最后，结合桥梁实际的损伤类型，通过有限元计算详细模拟了横隔板开裂和横隔板连接钢板损坏这种多片式T梁桥中最易出现的损伤形式，分析它给结构静动力性能带来的影响。考虑裂缝“开合”效应时，计算了不同横隔板局部损伤程度下结构的非线性振动响应的损伤指标C<'E><,disturb>。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章绪论

1.1桥梁健康监测

1.2损伤与损伤识别

1.3本文的研究内容

参考文献

第二章结构损伤识别的基本方法和问题

2.1损伤识别技术发展综述

2.1.1基于自振频率变化的损伤识别技术

2.1.2基于振型变化的损伤识别技术

2.1.3基于柔度变化的损伤识别技术

2.1.4根据传递函数(频响函数)变化的损伤识别技术

2.1.5基于能量变化的损伤识别技术

2.1.6基于模型修正的系统识别法

2.1.7神经网络方法

2.1.8基于时频分析方法的的损伤识别

2.1.8基于统计思想的损伤识别技术

2.2损伤识别的技术难题

参考文献

第三章结构健康监测中的开裂模拟

3.1结构开裂的模拟方法

3.1.1局部刚度折减法和分离的弹簧模型

3.1.2二维和三维模型

3.1.3开裂模拟方法比较

3.2实验算例验证

3.2本章小结

参考文献

第四章裂缝的“开合”效应

4.1裂缝的“开合”效应概述

4.2研究裂缝的“开合”效应的时频分析方法

4.2.2 Hibert变换和瞬时频率

4.2.1经验模式分解(Empirical Mode Decomposition,简称EMD)

4.3自由振动中的裂缝“开合”效应

4.3.1单自由度体系

4.3.2带裂缝的悬臂梁

4.4谐振荷载强迫振动中的裂缝“开合”效应

4.4.1单自由度体系

4.4.2带裂缝的悬臂梁

4.4本章小结

参考文献

第五章横隔板损伤对多片式T梁性能的影响

5.1多片式T梁结构简介

5.2影响既有多片式T梁承载能力的病害及其机理

5.2.1病害的概念

5.2.2主要病害及机理分析

5.3有限元模型

5.3.1主梁及横隔板的模拟

5.3.2主要分析指标

5.4横隔板大范围损伤对结构性能的影响分析

5.4.1横隔板大范围损伤对结构静力响应的影响

5.4.2横隔板大范围损伤对结构动力特性的影响

5.5横隔板局部损伤对结构性能的影响分析

5.5.1横隔板局部损伤的模拟

5.5.2横隔板局部损伤对结构静力响应的影响

5.5.2横隔板局部损伤对结构动力特性的影响

5.6裂缝“开合”效应对结构动力响应的影响

5.7本章小结

参考文献

第六章总结

6.1本文的主要工作

6.2主要结论

6.3待进一步研究的课题

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果