空間網(wǎng)格結構模態(tài)局部化與躍遷理論及損傷監(jiān)測研究

空間網(wǎng)格結構具有高密集模態(tài)的動力特性，一旦結構存在失諧，即有可能出現(xiàn)模態(tài)局部化現(xiàn)象和模態(tài)躍遷現(xiàn)象。因此，對空間網(wǎng)格結構進行損傷監(jiān)測研究，應首先對損傷結構的動力學特性開展研究，然后以此作為依據(jù)開展損傷監(jiān)測方法的研究工作，這將更具有實際意義和應用價值?；谝陨峡紤]，本項目借鑒國內外結構損傷監(jiān)測領域的新方法和新技術，結合空間網(wǎng)格結構的本質動力特性，開展了如下研究：1) 采用攝動法對模態(tài)局部化和模態(tài)躍遷的發(fā)生機理進行了理論推導和分析，以球面網(wǎng)殼結構為例，著重分析了不同剛度或質量失諧參數(shù)對結構振動局部化和模態(tài)躍遷的影響規(guī)律；2) 提出了表征模態(tài)局部化現(xiàn)象的模態(tài)位移局部化因子和模態(tài)應變能局部化因子，提出了確定模態(tài)躍遷前后模態(tài)對應關系的模態(tài)置信準則法，并以球面網(wǎng)殼和拱支網(wǎng)殼為算例進行了參數(shù)影響分析；3) 研究了網(wǎng)殼結構中的頻率曲線轉向現(xiàn)象，提出了簡化模型并進行了理論推導，分析了頻率曲線轉向和模態(tài)躍遷之間的關系；4) 提出了環(huán)境激勵下低階時域方法的統(tǒng)一理論和環(huán)境激勵下高階頻域方法的統(tǒng)一理論，以平面桁架結構為算例進行了仿真分析；5) 提出了僅利用損傷結構信息即可進行結構損傷識別曲率模態(tài)曲面擬合損傷識別理論，對空腹網(wǎng)架結構進行了驗證分析；6) 設計制作了單層肋環(huán)形球面網(wǎng)殼試驗模型，測試了結構模態(tài)參數(shù)，驗證了上述現(xiàn)象和方法。本項目深層次地探討了空間網(wǎng)格結構損傷前后的動力學特性、參數(shù)識別及損傷監(jiān)測理論，具有很強的科學針對性，研究成果可為空間網(wǎng)格結構及其他土木工程結構的損傷監(jiān)測研究提供借鑒和參考。 2100433B

空間網(wǎng)格結構是高密集模態(tài)周期性結構，動力特性復雜，長期服役易產(chǎn)生不同形式的內部損傷，對其進行損傷監(jiān)測研究十分必要。本項目針對其動力學特點，考慮結構損傷導致模態(tài)局部化與模態(tài)躍遷影響，以理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗為手段，解決空間網(wǎng)格結構損傷監(jiān)測過程中的本質科學問題。研究空間網(wǎng)格結構模態(tài)局部化現(xiàn)象的機理，提出定量描述模態(tài)局部化判據(jù)；研究空間網(wǎng)格結構模態(tài)躍遷的變化規(guī)律，確定模態(tài)躍遷前后模態(tài)對應關系的判定準則；研究環(huán)境激勵下空間網(wǎng)格結構模態(tài)參數(shù)在線識別方法，建立空間網(wǎng)格結構考慮模態(tài)局部化與躍遷的多階段分區(qū)域損傷監(jiān)測理論。本項目首次探討空間網(wǎng)格結構的模態(tài)局部化和躍遷現(xiàn)象，更深層次地探討空間網(wǎng)格結構的動力學特性和損傷監(jiān)測理論。本項目得以完成，將會為進一步研究該結構體系防災減災理論打下基礎，為空間網(wǎng)格結構的抗風抗震設計提供科學依據(jù)和理論支持，為提前采取自救措施，避免或減少人民生命財產(chǎn)損失提供有力保障。

對于具有高密集模態(tài)的空間鋼結構，很小的損傷（或物理參數(shù)變化）就會使其振動模態(tài)產(chǎn)生急劇變化，出現(xiàn)振動模態(tài)的局部化現(xiàn)象，并且損傷前后的模態(tài)可能不再按相同的階次一一對應，出現(xiàn)模態(tài)階次的躍遷現(xiàn)象；由于部件連接、邊界條件的復雜性和龐大的結構規(guī)模，理論和試驗模態(tài)分析方法已不能滿足空間鋼結構健康監(jiān)測的要求，而面向自然激勵的運行模態(tài)分析技術則可能是解決這一問題的有效手段。因此，本項目將立足于國內外結構健康監(jiān)測領域的最新研究成果，充分借鑒有關學科的新理論和新技術，結合空間鋼結構的動力學特點，以空間鋼結構的模態(tài)局部化和模態(tài)躍遷研究為主線，從研究基于自然激勵的運行模態(tài)分析技術入手，對基于模態(tài)局部化和模態(tài)躍遷的損傷識別方法、面向損傷識別的傳感器優(yōu)化布置方法等問題進行深入系統(tǒng)的研究。本項目的研究成果不僅可能為空間鋼結構的健康監(jiān)測提供堅實的基礎和高效的方法，同時也可為其他類似結構的健康監(jiān)測研究提供參考。 2100433B

本研究系統(tǒng)地探討了斜拉橋的自由振動、車橋耦合振動、渦激振動以及考慮模態(tài)躍遷時的渦激振動等動力學問題。采用連續(xù)體系統(tǒng)建模方法對斜拉橋進行了建模，通過Galerkin方法求解斜拉橋的強迫振動問題。采用切換系統(tǒng)對考慮模態(tài)躍遷下斜拉橋的渦激振動進行建模，結合時間歷程圖、相圖、Poincare截面等方法分析其復雜的非線性動力學行為。數(shù)值結果表明：整體對稱性以及局部對稱性斜拉橋都存在模態(tài)躍遷、頻率曲線偏轉、密集固有頻率、模態(tài)局部化現(xiàn)象；Galerkin方法求解車橋耦合問題時，需要截取前49階模態(tài)。然而在這些模態(tài)中，只有少數(shù)幾階模態(tài)起主要作用；密集頻率與模態(tài)局部化現(xiàn)象對車橋耦合問題具有顯著的影響；斜拉橋的渦激振動具有多個穩(wěn)定的極限環(huán)。斜拉索的幾何非線性可導致斜拉橋渦激振動出現(xiàn)混沌解；振動過程中反復出現(xiàn)的模態(tài)躍遷行為會給斜拉橋的渦激振動帶來更為豐富的非線性動力學行為。該研究可為斜拉橋的初始設計與振動控制提供理論依據(jù)。