基于振型平移与振型转角改变的框架结构损伤检测研究

Frame structural form is widely used in civil engineering. Therefore, health monitoring of frame structures has great significance for guaranteeing safety of people's life property and maintaining social stability. Modal parameters such as natural frequencies and mode shapes change when beams and/or columns of frame structures are damaged. Hence, it is possible to identify damage of frame structures using changes in the modal parameters and/or their derivatives. With the development of angular accelerometers in particular, not only natural frequencies and displacements of mode shapes but also rotations of mode shapes can be obtained by means of experimental modal analysis. In this study, modal parameters including rotations of mode shapes will be identified by installing linear and angular accelerometers at the joints between beams and columns and carrying out experimental modal analysis, which enriches the theory of modal analysis. Based on the modal parameters identified and sensitivity analysis of damage, indices of damage detection are constructed. According to the changes in indices due to damage, locations and extents of the columns and beams of frame structures is detected using iterative algorithm.

框架结构是广泛使用的结构形式，监测其健康状况从而保证结构安全对于保护人民生命财产安全和维护社会稳定具有重要意义。框架梁、柱的损伤会导致模态频率、振型等结构模态参数发生变化，因此，以能够较为准确获得的结构低阶模态参数及其导出量构建损伤检测指标，根据结构损伤前后损伤检测指标的变化情况有可能识别框架梁、柱的损伤。特别是随着传感技术的不断进步，转角加速度传感器已逐渐发展成熟，使得通过实验模态分析不仅能够获得固有频率和振型平移，还能够获得振型转角。在本项研究中，通过在框架结构梁、柱结点处安装平移和转角加速度传感器，进行包括识别结构振型转角在内的实验模态分析研究，丰富模态识别理论；在模态参数识别和损伤敏感性分析的基础上，构建基于低阶振型平移与振型转角的损伤检测指标，根据结构损伤前后损伤检测指标的变化，运用迭代算法，实现框架结构梁、柱损伤定位和损伤程度识别。

框架结构是目前广泛使用的结构形式，探索简便有效的框架结构损伤检测方法具有重要意义，本项目研究了基于振型斜率和振型转角改变的框架结构损伤检测。主要内容包括框架结构梁柱节点转角的获取方法、振型斜率和振型转角对梁柱损伤的敏感性分析和基于结构一阶振型斜率改变和振型转角改变的框架结构损伤检测方法。在梁柱节点转角获取方法研究中发现，通过直接测试得到的垂直于梁柱轴线的线位移，利用梁单元的形函数，能够将线位移转化为梁柱节点的转角位移。获得准确节点转角位移需要线位移具有足够高的测试精度。推导了振型斜率和振型转角对梁柱损伤的敏感性系数表达式，损伤敏感性的理论和数值分析表明，框架结构某层一阶振型斜率对该层柱刚度的敏感性系数恒为负值，即当某层柱发生损伤时，该层一阶振型斜率一定增大，利用此结论可检测柱损伤。当框架结构某根杆件损伤时，损伤杆件的端节点一阶振型转角对损伤最为敏感。对于柱，损伤导致损伤柱两端节点一阶振型转角减小；对于梁，损伤导致损伤梁两端节点一阶振型转角增大。此规律可用于损伤梁柱的定位。根据敏感性分析结果，提出了基于一阶振型斜率改变和一阶振型转角改变的框架结构损伤检测方法。对于柱损伤，首先根据修正一阶振型斜率改变值的符号和改变幅度判别损伤柱所在的层，然后根据柱端振型转角改变判别具体的损伤柱位置，最后根据修正一阶振型斜率改变值的大小判别损伤程度。对于梁损伤，首先根据梁端修正一阶振型转角改变值的符号和改变幅度判别损伤梁的位置，然后根据梁端修正一阶振型转角改变值的大小判别损伤程度。数值算例表明，本项目提出的损伤识别方法具有良好的检测精度。随着动态转角传感器的逐渐成熟，本方法应用于框架结构的损伤检测具有广阔的前景。