引言

張弦桁架結(jié)構(gòu)是由上部剛性拱桁架與下部柔性拉索通過(guò)中部撐桿組合而成的一種自平衡體系，具有受力合理、承載能力高、造型輕盈、跨度大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到大跨鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中。但張弦桁架結(jié)構(gòu)規(guī)模大、服役期限長(zhǎng)，所處環(huán)境狀況復(fù)雜，受到的荷載作用具有隨機(jī)性，發(fā)生損傷的潛在危險(xiǎn)性較大。此類結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)損傷會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生影響，甚至可能引起連續(xù)倒塌，因此研究張弦桁架結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期的損傷識(shí)別具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但張弦梁結(jié)構(gòu)中存在拉索、撐桿和桁架等不同類型桿件，受力機(jī)理更加復(fù)雜，其損傷識(shí)別與常規(guī)橋梁式結(jié)構(gòu)或多高層建筑結(jié)構(gòu)存在明顯差異，目前針對(duì)張弦桁架結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別尤其試驗(yàn)研究很少。因此，針對(duì)張弦桁架結(jié)構(gòu)基于模態(tài)參數(shù)的損傷識(shí)別方法開(kāi)展試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)某火車(chē)站頂棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)制作了兩榀張弦桁架試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀砷囼?yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)尺寸相同，模型總長(zhǎng)6m，矢高0.4m，垂度0.4m，上部采用倒三角立體桁架，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間由四角錐基本單元構(gòu)成，結(jié)構(gòu)中部均勻布置5根對(duì)稱的圓鋼管撐桿，下部布置直徑8mm的鋼絲繩拉索，并施加2kN預(yù)應(yīng)力；試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵欢藶楣潭ㄣq支座，另一端為滑動(dòng)鉸支座，并在結(jié)構(gòu)兩側(cè)設(shè)置剛架作為受壓桁架側(cè)向支撐（圖1）。兩榀試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)件截面尺寸不同，模型1相對(duì)于模型2，桿件截面尺寸較小；荷載施加情況不同，模型1未施加外荷載，模型2在模型上弦桿布置質(zhì)量塊模擬結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的荷載(圖2)。試驗(yàn)采用不同截面尺寸桿件替換正常桿件的方法來(lái)模擬結(jié)構(gòu)損傷，即通過(guò)降低截面剛度的方法來(lái)模擬桿件損傷，根據(jù)桿件截面積喪失程度定義損傷程度。

 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?mm

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了弦桿單損傷、多損傷、索撐損傷等不同程度以及不同位置的損傷工況，通過(guò)動(dòng)力檢測(cè)獲取試驗(yàn)各工況前三階模態(tài)參數(shù)：采用單點(diǎn)拾振、多點(diǎn)激勵(lì)的方式進(jìn)行試驗(yàn)，即將加速度傳感器安裝在桁架上弦桿件的4號(hào)節(jié)點(diǎn)處，然后用力錘依次對(duì)1～14號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行錘擊，每個(gè)節(jié)點(diǎn)錘擊激勵(lì)1min，通過(guò)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀采集加速度信號(hào)（圖3）；根據(jù)不同工況替換相應(yīng)損傷桿件，依次采集加速度信號(hào)；接著利用TSTMP模態(tài)分析軟件處理加速度信號(hào)，獲取張弦桁架每個(gè)工況的頻率與振型等模態(tài)數(shù)據(jù)，以用于之后的損傷識(shí)別分析。

 錘擊激勵(lì)

本次試驗(yàn)中通過(guò)改變構(gòu)件的截面尺寸來(lái)控制構(gòu)件的剛度，從而模擬構(gòu)件的損傷程度，損傷程度由截面面積的損失程度決定。表1為各部件的損傷程度，圖4為測(cè)試模型的損傷圖。

表1 構(gòu)件損傷程度

 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛽p傷

損傷識(shí)別結(jié)果分析

張弦桁架結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，桿件繁多，可能發(fā)生損傷的部位較多，單一損傷識(shí)別方法無(wú)法一次檢測(cè)出結(jié)構(gòu)各部分的健康狀態(tài)。因此將張弦桁架結(jié)構(gòu)分為上部剛性桁架與索撐體系兩部分，針對(duì)各組成部分的特點(diǎn)，采用基于振動(dòng)模態(tài)參數(shù)的組合識(shí)別方法對(duì)張弦桁架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析：上部剛性桁架對(duì)結(jié)構(gòu)整體頻率影響較小且桿件連續(xù)，運(yùn)用曲率模態(tài)差（CMD）和模態(tài)柔度差曲率（MFDC）對(duì)其進(jìn)行損傷識(shí)別；下部索撐體系桿件相對(duì)獨(dú)立且單元數(shù)量相對(duì)較少，通過(guò)選取正則化頻率變化率（NFCR）建立索撐體系頻率指紋庫(kù)的方法對(duì)其進(jìn)行損傷識(shí)別。

曲率模態(tài)差是從結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振型入手，對(duì)結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)行差分得到模態(tài)曲率，再通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷前后曲率模態(tài)的變化得到。模態(tài)柔度差曲率是從結(jié)構(gòu)的柔度矩陣入手，由損傷前后結(jié)構(gòu)的各階振型和頻率共同得到結(jié)構(gòu)柔度矩陣差，再對(duì)其對(duì)角元素差分得到。上部剛性桁架進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷前后的模態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算繪制曲率模態(tài)差和模態(tài)柔度差曲率曲線，曲線突變最大處判定為桁架桿件損傷位置。

正則化頻率變化率是從結(jié)構(gòu)各階頻率入手，計(jì)算結(jié)構(gòu)損傷前后的頻率變化率并對(duì)其正則化得到。由于其僅是損傷位置的函數(shù)，與損傷程度無(wú)關(guān)，因此建立頻率指紋庫(kù)時(shí)僅需考慮每個(gè)構(gòu)件的一種損傷工況，減小了樣本量。索撐體系進(jìn)行損傷識(shí)別時(shí)，首先建立索撐體系頻率指紋庫(kù)，即預(yù)先假定各種損傷工況并依據(jù)結(jié)構(gòu)理論模型進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的正則化頻率變化率，從而建立頻率指紋庫(kù)；再由實(shí)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)固有頻率，計(jì)算某工況下的正則化頻率變化率指標(biāo)，與頻率指紋庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，兩者最接近處判定為索撐體系損傷位置。

研究結(jié)論

采用張弦桁架的組合損傷識(shí)別方法分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

1)基于前三階頻率的正則化頻率變化率指標(biāo)可以有效識(shí)別索撐體系的損傷。但由于索撐單元均具有對(duì)稱性，因此正則化頻率變化率指標(biāo)無(wú)法判斷對(duì)稱單元的損傷情況，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2)曲率模態(tài)差法和模態(tài)柔度差曲率法均能夠較好地識(shí)別上部剛性桁架結(jié)構(gòu)的單損傷和多損傷，但其對(duì)不同位置桿件的損傷識(shí)別效果略有不同。由于下弦桿直接與撐桿相連，受撐桿影響較上弦桿大，因此曲率模態(tài)差法和模態(tài)柔度差曲率法對(duì)上弦桿的識(shí)別效果優(yōu)于下弦桿。

3)曲率模態(tài)差法和模態(tài)柔度差曲率法均可以通過(guò)曲線定性判斷上部剛性桁架桿件的損傷程度，損傷程度越大，曲線突變程度也越大。另外，越高階曲線突變程度差距越小，因此應(yīng)利用低階模態(tài)數(shù)據(jù)定性判斷損傷程度。

4)與曲率模態(tài)差法相比，模態(tài)柔度差曲率曲線在非損傷位置突變小，曲線更穩(wěn)定，受非損傷位置的干擾較少，識(shí)別效果更好?；谠蕉嚯A模態(tài)數(shù)據(jù)獲得的模態(tài)柔度差曲率，其曲線在損傷位置發(fā)生的突變?cè)矫黠@，且基于前三階模態(tài)數(shù)據(jù)得到的模態(tài)柔度差曲率完全可以滿足損傷識(shí)別的精度要求。另外，越高階振型數(shù)據(jù)得到的曲率模態(tài)差曲線突變?cè)酱?，但其受干擾也越大，一般運(yùn)用前兩階曲率模態(tài)差曲線可以得到較好的損傷識(shí)別效果。

主持或參加科技部“十二五”科技支撐計(jì)劃、發(fā)改委重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中冶集團(tuán)“三五”重大科研課題及總院重點(diǎn)研究課題等，涉及預(yù)應(yīng)力技術(shù)及裝備、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定改造加固及新型結(jié)構(gòu)抗震體系等，同時(shí)很注重將科研成果與工程應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)及材料技術(shù)解決重大工程難題，主持完成50余項(xiàng)國(guó)家級(jí)或省部級(jí)重點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)施工項(xiàng)目。

先后獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)7項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)5項(xiàng)；發(fā)表論文40余篇；參編專著1本；2項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的主要編寫(xiě)人；獲得國(guó)家專利授權(quán)20余項(xiàng)。