古建結(jié)構(gòu)荷載、剛度等關(guān)鍵參數(shù)識(shí)別及工作狀態(tài)評(píng)估研究.pdf

1、古代建筑是先人為我們留下的珍貴文化瑰寶，具有歷史、文化、科技、藝術(shù)等多方面價(jià)值。古代建筑建造年代久遠(yuǎn)，在其服役過(guò)程中會(huì)受到環(huán)境荷載作用及材料老化等不利因素，結(jié)構(gòu)不可避免的產(chǎn)生損傷積累和抗力衰減。使得很多古建筑的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)令人擔(dān)憂，甚至具有局部破壞或整體坍塌的可能性。這不僅會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，從遺產(chǎn)保護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，這種破壞帶來(lái)的后果是災(zāi)難性的。因此，對(duì)古建筑結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)估是非常重要和緊迫的。
　　考慮到古建筑材料

2、受自然環(huán)境影響而退化;結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件連接松動(dòng)會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度退化;結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷累積導(dǎo)致承載力較弱，不宜通過(guò)加載試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文的主要目的是提出基于環(huán)境激勵(lì)的結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)評(píng)估方法。工作狀態(tài)評(píng)估內(nèi)容主要包括安全性、適用性和耐久性三個(gè)方面。安全性是指結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)估，與結(jié)構(gòu)和構(gòu)件剛度和穩(wěn)定性能有關(guān);適用性是指結(jié)構(gòu)的工作極限狀態(tài)評(píng)估，與結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在荷載作用下的變形、振動(dòng)等有關(guān);耐久性主要指對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的評(píng)估。為達(dá)成上述研究目的，擬解決如下三個(gè)問(wèn)

3、題:1）在不同荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性如何？2）作用在結(jié)構(gòu)上的荷載情況如何考慮？3）古建結(jié)構(gòu)中未知的節(jié)點(diǎn)參數(shù)和邊界條件如何確定？因此，本論文的研究?jī)?nèi)容主要如下:本文研究目的是提出適用于古代建筑的結(jié)構(gòu)狀態(tài)性能評(píng)估方法。
　　(1)對(duì)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析表明，外荷載與結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比均有顯著影響。利用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)診斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，進(jìn)而提出修復(fù)方案，其最大優(yōu)點(diǎn)是將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)的外界因素作為激勵(lì)源，可以在

4、不進(jìn)行加載的情況下完成結(jié)構(gòu)損傷的在線監(jiān)測(cè)與診斷。本部分詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究了該結(jié)構(gòu)在多種荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性及結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并基于長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在不同工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能參數(shù)變化的情況，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建合理的預(yù)警機(jī)制，獲得相對(duì)完備的安全狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)所需信息及評(píng)價(jià)指標(biāo)做出貢獻(xiàn)，并得到如下成果與結(jié)論:通過(guò)為期三年的動(dòng)力監(jiān)測(cè)，基于協(xié)方差驅(qū)動(dòng)狀態(tài)子空間法和奇異譜分解法分析獲得了結(jié)構(gòu)響應(yīng)與客流數(shù)量、溫度和地震作用的關(guān)系。

5、其中結(jié)構(gòu)的第一、三階頻率更容易受到人群荷載的影響，在分析游客數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)作用影響時(shí)該兩階頻率對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以作為主要研究對(duì)象;結(jié)構(gòu)第一、二階頻率更容易受到溫度變化的影響，在溫度對(duì)結(jié)構(gòu)作用影響時(shí)該兩階頻率對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以作為主要研究對(duì)象;地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的頻率和加速度信號(hào)有很重要的影響，但作用將會(huì)在一段時(shí)間后消失。地震作用將激發(fā)結(jié)構(gòu)更多頻率峰值的出現(xiàn)，同時(shí)原有的一些頻率對(duì)應(yīng)的峰值會(huì)被削弱。
　　(2)建筑結(jié)構(gòu)在正常使用情況下受到人群荷載、溫

6、度荷載、地震作用和風(fēng)荷載等多種荷載的作用。如何反映建筑結(jié)構(gòu)上的真實(shí)荷載狀況，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的正常維護(hù)、安全運(yùn)營(yíng)、損傷識(shí)別和狀態(tài)評(píng)估具有重要意義。特別是溫度荷載對(duì)大跨結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)以及古建木結(jié)構(gòu)影響很大。因此本文提出了可同時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)上外部荷載及溫度荷載的計(jì)算方法。該方法可在溫度荷載信息不完備的情況下，將溫度荷載從結(jié)構(gòu)外部荷載中進(jìn)行解耦，從而獲得作用在結(jié)構(gòu)上的準(zhǔn)確荷載情況。該部分成果與結(jié)論如下，此方法可以克服測(cè)量噪聲的影響，準(zhǔn)確的識(shí)別出作用

7、在結(jié)構(gòu)上的外部荷載及環(huán)境荷載。數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)考慮10％測(cè)量噪聲影響時(shí)，環(huán)境荷載識(shí)別結(jié)果與理想值誤差小于8％，因此可以認(rèn)為該方法可以準(zhǔn)確的識(shí)別環(huán)境荷載，為古建筑狀態(tài)評(píng)估提供了理論依據(jù)。
　　(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別是建立健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與狀態(tài)評(píng)估工作的基礎(chǔ)，對(duì)維護(hù)現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的安全與正常運(yùn)營(yíng)有重要的意義?？紤]到古建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式復(fù)雜，剛度未知，本文提出了一個(gè)基于溫度靈敏度法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行識(shí)別并對(duì)依據(jù)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)建立

8、的有限元模型予以修正的計(jì)算方法。在模型建立中，考慮了構(gòu)件之間的摩擦作用、存在的縫隙以及暗銷的剪切作用，更為準(zhǔn)確的模擬了古建筑的工作情況。該方法基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了系統(tǒng)輸入（環(huán)境荷載）與系統(tǒng)輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）之間的關(guān)系，從而對(duì)結(jié)構(gòu)中剛度不確定的構(gòu)件進(jìn)行了準(zhǔn)確的參數(shù)識(shí)別并提出了一種有效的邊界條件簡(jiǎn)化方式，以便更合理的表示出古建筑木結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，進(jìn)而為古建筑狀態(tài)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。計(jì)算結(jié)果表明，該方法抗噪性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高。將基于該方法計(jì)算得到