基于随机振动的网架结构损伤识别研究

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1、基于随机振动的网架结构损伤识别研究第1章绪论1.1引言改革开放以来，随着我国经济的蓬勃发展，建筑技术水平的大幅提高，大型复杂结构大量应用于人民生活与生产中。大型体育场馆、超高层建筑、大跨桥梁、超大体积大坝以及超长隧道等基础设施不断建成投入到使用当中，为人民的生活与生产提供了巨大的便利。其中，网架结构受到越来越多国内外专家的追捧，因其具有建筑外形优美、结构受力均匀、整体性能好、结构自重轻、现场安装方便等优点，适用于大跨度、大空间、生命线工程的建筑结构，目前被大量应用于飞机场候机厅、车站大厅、展览馆、体育馆以

2、及水泥行业熟料库和预均化库等民用与工业建筑中。网架结构被广泛的应用于大跨度、大空间的重点建筑中，如首都机场T3航站楼、北京西客站、A380检修机库等。这些建筑结构常常是人流量较大区域或者是存放重要机器设备和设施区域，一旦网架结构出现倒塌事故，就会酿成巨大的人员伤亡和财产损失，文献[1]中总结了近年来国内外的网架结构工程安全事故实例，见表1-1：网架结构的损伤原因是多方面的，有设计原因、构件加工质量原因、施工质量原因、后期使用原因以及结构所处环境原因等，针对这些损伤原因，近年来我国相继制定了关于网架结构设计

3、和施工的规范和规程，如《网架结构设计及施工规程》、《网壳结构技术规程》和《空间网格结构技术规程》等，其设计与施工过程均由具备相应资质的专业网架结构公司来承包，然而在实际的工序操作中仅考虑设计和施工的要求，却较少考虑网架结构在长期的服役过程中人为因素和环境因素对结构安全的影响，特别是存在设备激励时所导致的螺栓松弛、杆件弯曲和断裂等损伤，并没有做出有效的预防和控制措施。因此，建立起在役大型复杂结构的健康监测系统，特别是网架结构，及时检测出在役网架结构在使用过程中产生的结构损伤，并对结构的安全性能进行评估是非常

4、必要的安全措施。通过监测系统实时地把握结构的工作状态，发现结构的早期病害，并对结构的承载能力进行评估，不仅能够降低发生重大安全事故的可能性，还能保证网架结构的使用功能，延长其使用寿命，大大减少网架结构的维护费用。...........1.2结构健康监测系统结构健康监测（StructureHealthMonitoring，SHM），可定义为：利用无损传感技术获得结构动力响应，根据结构动力响应对结构系统的特性进行分析，从而识别出结构损伤，并做出相应的预警反应。结构健康监测是一项长期的实时的在线监测技术，运用一

5、定的数据处理方法将获取的监测响应数据转换成对结构损伤敏感的特征因子，并通过合适的数学方法对这些损伤因子进行分析，对比结构在不同时期损伤因子的变化程度，发现结构的损伤状况，发出警告以及提出合理化建议，并预估结构使用寿命。在此，给出未建立健康监测系统和已建立健康监测系统的建筑物维护管理对比，如图1-3、图1-4所示。从图1-3与图1-4中可以清楚的看出，没有建立结构健康监测系统的建筑物随着服役年限的增加，结构可靠性是急剧降低的，而维护费用却是逐年增加的，维护费用的增加并没有提高建筑的可靠度，传统的结构维护方式

6、是一种技术落后以及非经济的维护方法；然而，建立结构健康监测系统的建筑物随着服役年限的不断增加，结构可靠性基本保持稳定，而维护费用仅仅出现微小增加，是一种经济理想的维护方法。结构健康监测系统由四个子系统组合而成[2]：（1）传感器系统、（2）数据采集系统、（3）数据通信与传输系统、（4）数据分析和处理系统。传感器系统直接与结构接触，其工作性能的优良与否决定着所采集数据的可靠性，并最终影响监测结果的准确性，所以选取的传感器需要具备对所采集的数据敏感以及工作性能稳定的特点；数据采集系统需具有较好的抗噪性能，受环

7、境干扰小，并对所采集数据信号进行分类与处理，以便数据的传输；数据通信与传输系统需将已采集的数据信号进行远距离传输，防止传输过程中信号的泄漏以及信号能量的丢失，造成数据信号的失真；数据分析与处理系统是结构健康监测系统达成目的的关键手段，是健康监测系统的关键部分和技术难点，包括结构健康状况的判断与预警。由此可以看出，结构健康监测系统是一个多学科、多专业交叉的复杂系统，包含电子、信号、光纤传输、土木工程、软件开发等专业，这也是结构健康监测系统的发展方向与发展趋势。结构健康监测系统的工作流程图见图1-5。....

8、.......第2章随机变量与随机过程振动现象无处不在，宇宙星空，天地万物，原子分子，到处都有振动的存在。如光、声、电、热、磁等都是振动的物理现象，人们的生存无时无刻也离不开振动，如人走路时的振动、心脏的搏动等，都是人类生存和生活中必备的振动现象。在工程领域，车辆行驶过程中的颠簸，自然风作用下高层建筑与桥梁建筑的反应，地震作用下建筑结构的晃动，以及海浪对海洋中钻取石油的平台的作用等都是随处可见的振动现象。对工程领域中振动问题的