約束子結構模型修正方法.pdf

1、結構健康監(jiān)測是土木結構學科一個研究熱點，其中模型修正和損傷識別是結構健康監(jiān)測的重要理論組成部分。本文針對土木工程中，結構形式復雜、測點少或局部損傷不敏感等問題，提出約束子結構模型修正方法，實現(xiàn)利用少量傳感器和局部結構動力響應準確修正識別局部子結構或整體結構。
　　約束子結構模型修正方法包括兩步：第一步構造約束子結構的動力響應，這步是方法的核心；第二步利用經(jīng)典的模型修正方法，根據(jù)構造的動力響應或其模態(tài)來修正或識別子結構。根據(jù)方法對子

2、結構約束程度的不同，分為完全約束子結構（簡稱約束子結構）和廣義約束子結構：前者是在所關注子結構的邊界上布置虛擬支座后，從整體結構中被隔離出來的簡單、獨立結構；后者雖然并不能將子結構分離出整體，但可以有效地提高子結構的靈敏度，使之更容易修正和識別。
　　約束子結構的基本構造思想是通過局部子結構響應的卷積組合，使其邊界的響應為零（實現(xiàn)將邊界傳感器模擬為虛擬支座）；相應地，子結構內部響應的組合即為約束子結構的響應。根據(jù)選用的局部子結構響

3、應的類型和特點，提出以下五種約束子結構模型修正法（簡稱約束子結構方法）：
　　(1)基于局部模態(tài)的約束子結構模型修正方法。利用整體結構低階模態(tài)對應子結構位置的局部元素（局部模態(tài)）構造約束子結構的柔度矩陣，然后利用該柔度矩陣修正子結構。該方法首先從靜力學的角度提出約束子結構的概念。
　　(2)基于局部脈沖響應的約束子結構模型修正方法。利用整體結構中局部子結構的脈沖響應直接構造約束子結構的脈沖響應，將方法推廣到動態(tài)，不但擺脫了局

4、部模態(tài)要求振型歸一化的限制，而且構造的動力響應往往比靜力柔度矩陣包含更豐富的信息，提高修正的精度。并通過進一步理論推導(也適用于下面提出的三種約束子結構方法)，對激勵類型、激勵點位置、虛擬支座形式進行了擴展，以及把方法運用范圍擴展到允許子結構外部為非線性的情況，使該方法更容易操作和應用在實際工程中。
　　(3)基于局部頻率響應的約束子結構模型修正方法。該方法把約束子結構方法由時域擴展到頻域，利用局部子結構的頻率響應構造約束子結構的

5、頻率響應，避免了時域方法內大型矩陣求逆中存在的病態(tài)問題，提高了計算效率。
　　(4)聯(lián)合局部虛擬變形的約束子結構模型修正方法。虛擬變形法（Virtual Distortion Method）是一種結構快速重分析方法，與約束子結構方法相結合，同時利用測量的激勵和構造的約束子結構響應在時域里識別子結構，不但加快了優(yōu)化速度，而且提高了修正精度。
　　(5)基于局部時間序列的約束子結構模型修正方法。前面提出的幾種方法都需要利用測量多

6、組響應來構造約束子結構，而且要求結構的初始狀態(tài)為零。該方法只需利用一組局部子結構響應的時間序列，通過延時排列的辦法構造約束子結構的自由響應。方法應用靈活，操作簡單，適用性強，可用于在線的子結構監(jiān)測。
　　文中分別利用桁架有限元模型對上述五種方法進行仿真驗證。并且，在一個懸臂梁子結構的動態(tài)試驗中，成功地利用局部脈沖響應、頻率響應、聯(lián)合虛擬變形法、時間序列法構造約束子結構；驗證了利用約束子結構方法能剔除子結構以外未知因素（包括子結構外

7、部非線性）的影響，準確地識別子結構的損傷。
　　子結構邊界比較復雜時，其邊界運動狀態(tài)不容易測量，因而難以構造約束子結構。針對此局限，提出廣義約束子結構模型修正法。它可以有效地提高子結構靈敏度，使之更容易修正識別。廣義約束方法有兩種：
　　(1)基于局部主頻率的廣義約束子結構模型修正方法。在局部激勵的作用下，如果子結構能夠主要以單階子結構變形為主的模態(tài)振動，那么對應的該階頻率定義為子結構的局部主頻率。局部主頻率能更多地反映子結

8、構特性，對子結構損傷的靈敏度高，所以利用局部主頻率就可以修正和識別子結構。然而子結構一般并不具有這種性質，為使子結構能具有局部主頻率，可以采用以下兩種方法：
　　方法一，在子結構邊界附加虛擬支座，增加對子結構邊界的約束，減弱其外部構件的影響，從而提高子結構的靈敏度。用此方法有效識別了三層空間框架有限元模型底層柱的損傷。
　　方法二，在子結構內部附加質量，提高子結構本身的權重來提高子結構靈敏度。通過二十跨空間桁架試驗驗證了該方