古建結(jié)構(gòu)荷載、剛度等關(guān)鍵參數(shù)識別及工作狀態(tài)評估研究.pdf

1、古代建筑是先人為我們留下的珍貴文化瑰寶，具有歷史、文化、科技、藝術(shù)等多方面價值。古代建筑建造年代久遠(yuǎn)，在其服役過程中會受到環(huán)境荷載作用及材料老化等不利因素，結(jié)構(gòu)不可避免的產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減。使得很多古建筑的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)令人擔(dān)憂，甚至具有局部破壞或整體坍塌的可能性。這不僅會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，從遺產(chǎn)保護(hù)的角度來說，這種破壞帶來的后果是災(zāi)難性的。因此，對古建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評估是非常重要和緊迫的。
　　考慮到古建筑材料

2、受自然環(huán)境影響而退化;結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件連接松動會導(dǎo)致節(jié)點剛度退化;結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷累積導(dǎo)致承載力較弱，不宜通過加載試驗確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文的主要目的是提出基于環(huán)境激勵的結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評估方法。工作狀態(tài)評估內(nèi)容主要包括安全性、適用性和耐久性三個方面。安全性是指結(jié)構(gòu)承載能力評估，與結(jié)構(gòu)和構(gòu)件剛度和穩(wěn)定性能有關(guān);適用性是指結(jié)構(gòu)的工作極限狀態(tài)評估，與結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在荷載作用下的變形、振動等有關(guān);耐久性主要指對結(jié)構(gòu)損傷的評估。為達(dá)成上述研究目的，擬解決如下三個問

3、題:1）在不同荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動力特性如何？2）作用在結(jié)構(gòu)上的荷載情況如何考慮？3）古建結(jié)構(gòu)中未知的節(jié)點參數(shù)和邊界條件如何確定？因此，本論文的研究內(nèi)容主要如下:本文研究目的是提出適用于古代建筑的結(jié)構(gòu)狀態(tài)性能評估方法。
　　(1)對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析表明，外荷載與結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比均有顯著影響。利用結(jié)構(gòu)動態(tài)測試數(shù)據(jù)來診斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，進(jìn)而提出修復(fù)方案，其最大優(yōu)點是將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動的外界因素作為激勵源，可以在

4、不進(jìn)行加載的情況下完成結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測與診斷。本部分詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測系統(tǒng)，研究了該結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下的動力響應(yīng)特性及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并基于長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算得到結(jié)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)動力性能參數(shù)變化的情況，為監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建合理的預(yù)警機(jī)制，獲得相對完備的安全狀態(tài)評估系統(tǒng)所需信息及評價指標(biāo)做出貢獻(xiàn)，并得到如下成果與結(jié)論:通過為期三年的動力監(jiān)測，基于協(xié)方差驅(qū)動狀態(tài)子空間法和奇異譜分解法分析獲得了結(jié)構(gòu)響應(yīng)與客流數(shù)量、溫度和地震作用的關(guān)系。

5、其中結(jié)構(gòu)的第一、三階頻率更容易受到人群荷載的影響，在分析游客數(shù)量對結(jié)構(gòu)作用影響時該兩階頻率對應(yīng)的信號可以作為主要研究對象;結(jié)構(gòu)第一、二階頻率更容易受到溫度變化的影響，在溫度對結(jié)構(gòu)作用影響時該兩階頻率對應(yīng)的信號可以作為主要研究對象;地震作用對結(jié)構(gòu)的頻率和加速度信號有很重要的影響，但作用將會在一段時間后消失。地震作用將激發(fā)結(jié)構(gòu)更多頻率峰值的出現(xiàn)，同時原有的一些頻率對應(yīng)的峰值會被削弱。
　　(2)建筑結(jié)構(gòu)在正常使用情況下受到人群荷載、溫

6、度荷載、地震作用和風(fēng)荷載等多種荷載的作用。如何反映建筑結(jié)構(gòu)上的真實荷載狀況，對建筑結(jié)構(gòu)的正常維護(hù)、安全運營、損傷識別和狀態(tài)評估具有重要意義。特別是溫度荷載對大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)以及古建木結(jié)構(gòu)影響很大。因此本文提出了可同時識別結(jié)構(gòu)上外部荷載及溫度荷載的計算方法。該方法可在溫度荷載信息不完備的情況下，將溫度荷載從結(jié)構(gòu)外部荷載中進(jìn)行解耦，從而獲得作用在結(jié)構(gòu)上的準(zhǔn)確荷載情況。該部分成果與結(jié)論如下，此方法可以克服測量噪聲的影響，準(zhǔn)確的識別出作用

7、在結(jié)構(gòu)上的外部荷載及環(huán)境荷載。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，當(dāng)考慮10％測量噪聲影響時，環(huán)境荷載識別結(jié)果與理想值誤差小于8％，因此可以認(rèn)為該方法可以準(zhǔn)確的識別環(huán)境荷載，為古建筑狀態(tài)評估提供了理論依據(jù)。
　　(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)識別是建立健康監(jiān)測系統(tǒng)、進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別與狀態(tài)評估工作的基礎(chǔ)，對維護(hù)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的安全與正常運營有重要的意義?？紤]到古建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方式復(fù)雜，剛度未知，本文提出了一個基于溫度靈敏度法對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識別并對依據(jù)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)建立

8、的有限元模型予以修正的計算方法。在模型建立中，考慮了構(gòu)件之間的摩擦作用、存在的縫隙以及暗銷的剪切作用，更為準(zhǔn)確的模擬了古建筑的工作情況。該方法基于結(jié)構(gòu)動力監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了系統(tǒng)輸入（環(huán)境荷載）與系統(tǒng)輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）之間的關(guān)系，從而對結(jié)構(gòu)中剛度不確定的構(gòu)件進(jìn)行了準(zhǔn)確的參數(shù)識別并提出了一種有效的邊界條件簡化方式，以便更合理的表示出古建筑木結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，進(jìn)而為古建筑狀態(tài)評估奠定基礎(chǔ)。計算結(jié)果表明，該方法抗噪性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高。將基于該方法計算得到