基于监测数据和多尺度模拟的空间钢结构性能跟踪方法

Structural health monitoring is the full-scale experiment of structure on site, while the monitoring data reflect the structural carrying capacity and working performance when the structure is subjected to the load cases in the real world. However, the comprehensive interpretation and cognition of structural behavior using limited monitoring data becomes one of the most important problems for development in structural health monitoring system theories and the applications. The performance tracking methods of steel space structure based on the monitoring data and multi-scale simulation are proposed and researched in this proposal, which aimed to solve the scientific problems such as structural multi-scale finite element monitoring model concerning uncertainties, mechanical mapping relations between limited monitoring data and structural responses, mechanisms of force transmission and overall structural collaborative working, as well as evolution laws of structural performance which is subjected to long-term load action, and the corresponding patterns to the environmental loads. The major research schemes are firstly to build multi-scale finite element model for structural monitoring and model updating method, and then to develop the following structural performance tracking methods such as internal relations between structural responses, structural long-period responses evolution process, influencing factors of overall structural performance and working status of complex joints. This proposal can achieve innovative research results such as hybrid structural analysis method, tracking theories of structural responses and performance evolution, and the evaluation on the stress distribution of complex joints. The proposal can give the theoretical analysis methods of interpretation, validation and prediction for the uncertainties existing in the structural design, construction and service phases.

结构健康监测是对结构进行的足尺现场试验，监测数据反映结构真实荷载工况下的承载能力和工作性能。然而，如何运用有限测点监测数据全面理解和认识结构行为，成为结构健康监测系统理论发展和推广应用的主要问题之一。本项目以空间钢结构为背景，研究基于监测数据和多尺度模拟的结构性能跟踪方法，旨在解决基于不确定性因素的结构多尺度监测模型、有限测点监测数据与结构响应等力学特性映射关系、结构传力机制与整体协同工作机理、长期荷载作用的结构性能演化规律及其与环境荷载作用的模式关系等科学问题。为此建立多尺度有限元监测模型和修正方法，研究结构响应内在关系、长期响应演化过程、整体结构性能影响因素、复杂节点受力状态，系统发展结构性能跟踪方法。取得混合结构分析方法、结构响应与性能演化跟踪理论、复杂节点应力分布评价体系等创新性研究成果，为结构设计、施工和使用过程中的不确定性问题提供理解、验证和预测的理论分析方法。

本课题以如何运用有限监测数据全面理解和认识空间钢结构行为为目标，提出了基于监测数据和多尺度模拟的空间钢结构性能跟踪方法，给出了结构多尺度有限元监测模型的建立方法，提出了结构多尺度有限元监测模型修正方法，探究了基于监测数据和多尺度模拟的结构整体协同工作机理，实现了基于长期响应监测数据的结构行为演化研究，提出了空间钢结构复杂节点应力分布方法，并结合实际工程项目验证了所提理论方法。主要取得以下成果：(1)给出了构件与节点位置细观尺度建模的确定方法，建立了基于应力分布模式优化的多尺度界面耦合方法，给出了应力监测点的细观尺度建模和监测数据的对应模拟表达方法，给出了基于监测数据和多尺度模拟的结构整体响应分析方法。(2)系统研究了整体结构多尺度有限元模型修正方法，给出了模型修正参数的灵敏度分析与选取方法，提出了基于监测数据的结构整体与局部多目标优化算法，建立了多尺度有限元监测模型的修正迭代方法。(3)建立了基于监测数据和结构响应间的关联关系与映射关系，包括结构相同类型结构响应间的内在关联、结构不同类型响应间的相互变化规律、监测数据与结构响应等力学特性的映射关系，给出了构件工作状态与安全评估方法。(4)系统研究了结构性能感知方法，包括结构整体工作状态估计与跟踪方法、结构荷载和响应影响模式、结构关键构件工作状态演化规律、结构整体性能变化的关键因素。提出了基于变分模态分解的结构实测响应分离方法。(5)给出了基于细观尺度模拟的节点应力场估计方法，实现了基于监测数据的节点应力场获取，研究了节点应力场估计方法的影响因素，提出了应力变化矩阵病态程度的判定方法，提出了基于传感器个数缩减的应力场估计方法。