基于应变模态技术的结构损伤诊断直接指标法研究

本项研究采用理论推导、数值仿真和模型试验相互验证的研究方案。通过开展不同尺寸简支梁损伤系列试验、数值仿真研究，得出损伤位置、程度对模态参数的一般影响规律，提出应用固有频率、应变模态等综合参数识别简支梁损伤位置与程度的间接诊断方法，并获得合理布置测点的规律。提出并建立了损伤位置直接指标法、局域应变模态面积损伤程度直接指标法。对渡槽结构进行系列数值仿真分析，并结合损伤直接指标法进行验证。提出一套基于应变模态的结构损伤位置与程度综合诊断方法。本文主要开展了如下四方面工作： （1）间接损伤诊断系列试验、数值仿真研究。包括简支梁与渡槽结构，得出损伤位置、程度对模态参数一般影响规律。损伤对固有频率、位移模态影响不大；频率、位移模态及应变模态不适合诊断模态节点损伤；应变模态对非模态节点损伤非常敏感，尤其是对位于某阶位移模态峰值区附近的损伤；在损伤附近应变模态发生突变，突变区范围随损伤量增加而增大，一般为梁长的6.9％～12.5％；渡槽结构固有频率、位移模态对底板损伤尤为不敏感，低阶模态突变区影响范围大于高阶模态。 （2）基于损伤应变模态差分原理的ISMSD损伤位置直接指标法研究。建立了基于等间距、不等间距差分格式的损伤应变模态差分数学模型及其损伤位置直接指标法，提出了损伤位置判定准则、判定步骤及损伤影响区确定方法。应用直接定位指标对混凝土梁出现宏观裂缝前的早期损伤进行了诊断，早期损伤处应变模态可能不出现极值点，差分曲线在损伤处发生剧烈变化，与宏观裂缝结构相比，相当于差分曲线横向坐标轴发生平移。 （3）基于局域应变模态面积的ILSMSA损伤程度直接指标法研究。利用损伤应变模态非影响区数据，应用最小二乘法拟合完好应变模态，得到了符合前二阶应变模态曲线特征的最优多项式拟合次数；推导了局域应变模态面积数学表达式，建立了损伤程度直接指标法；归纳了简支梁损伤程度直接指标具有的四个特点，得到了简支梁、渡槽损伤程度直接指标值与损伤量的拟合曲线。 （4）提出一套基于应变模态的结构损伤位置与程度综合诊断方法。根据简支梁、渡槽损伤规律，提出损伤位置与程度的间接、直接损伤诊断方法，总结了损伤诊断应用步骤。