池育源

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出了大批的重大重點(diǎn)工程。這些工程的重要性決定了它們的耐久極限要長(zhǎng)達(dá)五十年甚至上百年，這么長(zhǎng)的使用時(shí)間內(nèi)，需要定期檢測(cè)結(jié)構(gòu)的安全狀況。目前，基于柔度損傷識(shí)別的結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法已經(jīng)開(kāi)始在建筑工程、橋梁工程、鐵路工程等諸多領(lǐng)域應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別基本原理

結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變可以視為結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損傷的標(biāo)志，成為用振動(dòng)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷診斷的切入點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)損傷探測(cè)的基本問(wèn)題可以歸結(jié)為如何從給定的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的測(cè)量，通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ù_定損傷的出現(xiàn)、出現(xiàn)的位置和損傷的程度。

損傷識(shí)別流程如圖1所示。

目前常用的結(jié)構(gòu)損傷診斷技術(shù)主要有:

1)基于固有頻率變化的損傷識(shí)別技術(shù);

2)基于剛度的損傷識(shí)別技術(shù);

3)利用振型變化識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷;

4)基于柔度變化的損傷識(shí)別;

5)振型曲率法識(shí)別損傷。

2 基于柔度的損傷識(shí)別計(jì)算模型

下面通過(guò)一個(gè)算例對(duì)柔度法進(jìn)行分析。選擇一根懸臂梁作為損傷識(shí)別對(duì)象，如圖2所示，左端固定右端自由的懸臂梁長(zhǎng)L=8m，截面尺寸寬 b=0.1m，高 h=0.2m，材料的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7 800 kg/m3。由于損傷不改變其質(zhì)量的分布，因此分析中僅以單元的彈性模量E的下降來(lái)模擬損傷，擬通過(guò)對(duì)構(gòu)件在15%，45%及75%損傷程度下的位移模態(tài)分析來(lái)確定結(jié)構(gòu)的損傷位置。

選取Beam188作為單元類(lèi)型，采用對(duì)線(xiàn)附以截面生成單元的建模方式。懸臂梁截面所在平面為Y—Z平面，縱向?yàn)閄方向;其中強(qiáng)軸為Z軸，弱軸為Y軸;懸臂梁在X方向被均勻地劃分為40個(gè)單元。一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量始終不變，而損傷只引起結(jié)構(gòu)剛度的降低，故結(jié)構(gòu)的局部損傷可用相應(yīng)位置剛度折減的辦法來(lái)模擬。假定第10單元和第20單元為損傷部位，分別建立懸臂梁的正常模型和在此兩處發(fā)生15%，45%，75%的損傷模型(見(jiàn)圖3a)，圖3b))。

3 模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

由于局部損傷將造成結(jié)構(gòu)整體的振型和模態(tài)發(fā)生改變，故我們可通過(guò)對(duì)固有頻率的變化和模態(tài)的分析來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度及位置。首先對(duì)結(jié)構(gòu)在正常無(wú)損情況和在各種殘損工況下進(jìn)行模態(tài)分析，獲取其前五階振型如表1所示。由表1可以看出，結(jié)構(gòu)的局部損傷將會(huì)使得結(jié)構(gòu)的低階自振頻率減小，這也意味著結(jié)構(gòu)的整體剛度有所降低;并且結(jié)構(gòu)的剛度下降隨著損傷程度的加大而變得劇烈。也正因如此，我們才能通過(guò)對(duì)振型的分析來(lái)判定損傷是否存在。結(jié)構(gòu)整體的前三階振型模態(tài)如圖4所示。

表1 各模型前五階振型頻率

另外，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)柔度差值的分析便可找出結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，即損傷位置(見(jiàn)圖5)。

在上述結(jié)構(gòu)中，突變處為10號(hào)和20號(hào)單元處，同實(shí)際吻合，證明了柔度法的可行性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別技術(shù)除能精確地識(shí)別結(jié)構(gòu)的損傷位置外，還應(yīng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的損傷程度做出判斷。

柔度矩陣改變程度除了與結(jié)構(gòu)的損傷大小直接關(guān)聯(lián)外，通過(guò)對(duì)圖的分析還表明，不同位置的相同損傷，引起柔度矩陣的改變量是不同的。

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