摘要:为了提高大型结构损伤识别的计算效率,引入静力虚拟变形法(VDM),并结合序列二次规划(SQP)算法实现损伤定位和损伤定量。首先,基于VDM的基本原理,推导了损伤因子与虚拟变形的关系;其次,建立损伤应变与实际损伤应变的目标函数,并利用SQP算法优化目标函数,实现了结构损伤识别的快速计算;最后,以某实际大桥有限元模型为例,对其吊杆的损伤识别进行了数值模拟研究。设计了基于恒荷载的实时监测和基于车辆静荷载的定期检测2种工况对该方法进行验证。结果表明:该方法能够快速准确地识别出损伤发生的位置和程度。
关键词:结构健康监测;损伤识别;虚拟变形法;静力分析;序列二次规划
中图分类号:TU311文献标志码:A
0[KG3.8mm]引言
结构健康监测技术是保障土木工程结构建造和服役安全的有效手段[1],其中损伤识别技术是监测数据分析中的关键环节,它对于评价结构的运营状态具有重要意义[2]。[HJ]损伤识别的目的是通过一定的方法来判别结构有无损伤、定位损伤、量化损伤和预测损伤[3]。目前损伤识别方法主要包括基于模型的方法和无模型方法两大类。基于虚拟变形法(Virtual Distortion Method,VDM)的损伤识别方法作为一种新近出现的基于模型的方法,因其具有快速准确的识别能力而引起了学者的广泛关注[4]。
HolnickiSzulc[5]于1989年率先提出了VDM,并将其应用到某大型桁架结构的模型修正中,展示了该方法计算的高效性;随后Kolakowski等[67]分别提出了基于静力、动力VDM的桁架结构损伤识别方法,并通过一个平面桁架算例验证了该方法的可行性;Swiercz等[8]利用谐振激励将VDM损伤识别方法推广应用到了频域,其在平面桁架损伤识别中取得了良好的效果;张青霞等[9]从有限元方法的角度推导了VDM理论,并提出了基于子结构VDM的损伤识别方法,并通过某50层框架结构数值验证了该方法的有效性;Liu等[10]提出了一种VDM集合超单元的模型修正方法,并将其成功用于某实桥的有限元模型修正,为VDM在实际工程中的应用提供了很好的借鉴作用。然而,目前VDM损伤识别方法主要采用基于梯度的优化算法,且优化前需要对目标函数进行求导和递推,这对于复杂的目标函数还较难实现;此外,目前基于VDM的损伤识别方法主要适用于平面结构,在实际三维结构中的应用还有待研究。
为此,本文拟在上述2个方面开展研究,首先介绍了VDM的基本原理,以桁架单元为研究对象,推导了损伤因子和虚拟变形的关系,并以损伤因子为变量,建立了损伤应变的函数;然后,建立了损伤应变和实测损伤应变的目标函数,并采用序列二次规划(SQP)算法对目标函数进行优化计算;最后,以某实际大桥有限元模型为例,通过实时监测(基于恒荷载)和定期检测(基于车辆荷载)2种工况,验证了所提方法对桥梁吊杆损伤识别的有效性。
基本原理[HT][ST][WT]
VDM是一种结构快速重分析方法,已被成功应用于结构的静力、动力分析和参数识别中,其基本原理是通过对未损伤的结构引入虚拟变形(将该结构定义为变形结构)来等效损伤结构,从而使原结构与变形结构具有相同的变形和内力。以图1桁架结构为例,该结构为受到集中力P作用的损伤结构,杆件i由于出
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