基于非线性振动特性的钢筋混凝土U形梁的损伤识别研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 23.8MB 68 页 15积分

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摘要

工程结构的损伤使得结构材料性质和几何条件发生改变，再加上裂缝的产

生和发展，结构的振动特性会因此受到很大影响，所以，实际结构的振动都会表

现出或强或弱的非线性特点。用线弹性假定来描述结构损伤前后的振动特点，便

遗漏了包含非线性特性的损伤信息，影响结构损伤识别的效果。因此，采用非线

性振动特征来进行损伤识别就显得尤为重要。

钢筋混凝土U形梁，以其结构合理、外形美观、施工方便、环境和谐等特点逐

渐成为公路、铁路桥梁和市域快轨等交通线路敷设的首选形式。在U形梁得到广泛

应用的同时，为延长其使用寿命，避免灾难性事故的发生，其损伤检测也成了众

多学者热门研究的领域。

本文研究的工作主要有：首先，在非线性振动分析的经典理论基础之上分

析了材料和裂缝对结构非线性振动特性的影响；其次，对比了短时傅里叶变换、

小波变换和Hilbert-Huang变换三种非平稳信号的处理方法的优缺点，最终本文选

择使用Hilbert-Huang变换时频分析方法对试验数据进行处理；再次，对一根1:10

缩尺比例的简支钢筋混凝土U形梁进行模型试验，通过静力加载对梁造成不同程

度的损伤，在各级损伤加载条件下，对U形梁进行动测试验，采集加速度-时间

信号；最后，通过滤波和EMD分解出各状态下的一阶和三阶频率信号，并用

Hilbert变换识别出各状态的一阶和三阶振幅-时间曲线和频率-时间曲线，并最终

得到频率-振幅图和归一化频率-振幅对比图。

通过对各状态的一阶和三阶的频率-振幅图和归一化频率-振幅对比图进行分

析，得到如下结论：同一级损伤荷载条件下的同一次动测试验中，瞬时频率是随

着振幅的减小而增大的，且在振幅较小处，频率变化快，在振幅较大处，频率变

化较缓慢；钢筋混凝土U形梁的振动表现出很明显的非线性特性，其非线性程度

随着损伤的加重而呈现先增大后减小的趋势；对于一般的结构，不妨将非线性振

动特性作为一种预警结构损伤的方法，对于那些对完整性要求较高的结构，因其

对微损伤很敏感，在损伤程度很小的范围内，非线性程度随损伤程度呈单调增强

的趋势，此时，就可以利用非线性振动特性来进行损伤检测。

关键词：钢筋混凝土 U形梁非线性振动特性 HHT 频率-振幅

ABSTRACT

Engineering structure damage will cause the change of material properties,

geometric conditions. The change coupled with the emergence and development of

cracks will have a badly effect on the structure vibration features. So the vibration of

actual structure will show certain nonlinear features. Using elastic assumption to

describe the vibration features of the structure before and after damage is likely to omit

the nonlinear damage information, and this will influence the effect of the structural

damage identification. Therefore, using the nonlinear vibration characteristics for

damage identification is particularly important.

Reinforced concrete U-shaped beams with its economic structure, beautiful

appearance, convenient construction and environmental harmony gradually become the

preferred laying form of highway, railway Bridges and city fast rail. While the U-shaped

beam is widely used, to prolong its service life and avoid catastrophic accident, the

damage detection of the U-shaped beam is becoming a hot research field.

In this paper, the research work includes: firstly, analysis the influence of materials

and cracks on the structure nonlinear vibration characteristics based on the classical

nonlinear vibration theory; Secondly, compare the advantages and disadvantages of

three kinds of non-stationary signal processing namely the STFT, wavelet transform and

Hilbert Huang transform,and finally choose to use the Hilbert Huang transform time-

frequency analysis method to deal with test data in this paper; Thirdly, model test on a

simply supported reinforced concrete U-shaped beam with a scale ratio of 1:10. The

static loads on the beam cause different degree of damage. And at all levels of damage

load condition, conduct dynamic test on the U-shaped beam and collect the

acceleration- time signal; Finally, use the filter and the EMD to decompose out the first

and the third order frequency signal of each state. Then use the Hilbert transform to

identify the first and the third order amplitude-time curve and frequency - time curve of

each state, and finally get a frequency-amplitude chart and normalized frequency-

amplitude comparison chart.

Analysis based on frequency-amplitude chart and normalized frequency-amplitude

comparison chart and get the following conclusion: under the condition of the same

level damage load and the same time of the dynamic test, the instantaneous frequency is

increased with the decrease of the amplitude. While amplitude is relatively small, the

frequency changes fast and while the amplitude is relatively large, the frequency

changes slowly; The vibration of the reinforced concrete U-shaped beam shows obvious

nonlinear features. The nonlinear degree shows a trend of increase and then decrease

with the increase of damage degree; For general structure, the nonlinear vibration

characteristics can be as a method of early warning structural damage. For the structure

with higher requirements for the integrity, because it is sensitive to damage and the

nonlinear degree is increased monotonously with the damage degree within the small

scope of the damage degree, so the nonlinear vibration characteristics can be used for

damage detection.

Key Word: reinforced concrete U-shaped beam, nonlinear vibration

characteristics, HHT, frequency-amplitude

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...............................................................................................................1
1 结构损伤识别研究概述.....................................................................................1
1.1 结构损伤识别研究的背景和意义...........................................................1
1.2 结构损伤识别方法...................................................................................2
1.3 结构损伤识别研究的难点.......................................................................3
2 非线性振动损伤识别研究的现状.....................................................................4
3 钢筋混凝土 U形梁概述.....................................................................................7
3.1 钢筋混凝土 U形梁特点...........................................................................7
3.2 U 形梁在国内外工程中的应用...............................................................8
3.3 国内外研究现状.......................................................................................9
4 本文研究的主要内容.......................................................................................11
第二章 非线性振动理论...........................................................................................13
1 引言....................................................................................................................13
2 非线性振动的经典理论方法...........................................................................13
2.1 摄动法......................................................................................................14
2.2 渐进法（KBM 法）...............................................................................15
2.3 多尺度法.................................................................................................17
2.4 相平面法.................................................................................................18
3 非线性振动的影响因素...................................................................................19
3.1 材料对结构非线性振动的影响.............................................................19
3.2 裂缝对结构非线性振动的影响.............................................................20
4 本章小结............................................................................................................22
第三章非平稳信号的处理方法...............................................................................23
1 引言....................................................................................................................23
2 小波变换............................................................................................................23
3 希尔伯特-黄变换—HHT..................................................................................25
3.1 HHT 概述.................................................................................................25
3.2 经验模态分解法（EMD）....................................................................25
3.3 Hilbert 谱分析.........................................................................................27
3.4 小结..........................................................................................................29
4 本章小结............................................................................................................30
第四章 钢筋混凝土 U形梁试验...............................................................................31
1 引言....................................................................................................................31
2 钢筋混凝土 U形梁试验简介...........................................................................31
2.1 试验目的.................................................................................................31
2.2 试件设计与制作.....................................................................................31
2.3 静载试验过程.........................................................................................33
2.4 动测试验过程.........................................................................................35

3 试验结果............................................................................................................38
4 本章小结............................................................................................................40
第五章 钢筋混凝土 U形梁的非线性振动损伤识别...............................................41
1 引言....................................................................................................................41
2 分析思路和技术手段论证...............................................................................41
2.1 分析思路.................................................................................................41
2.2 FFT 自谱分析论证..................................................................................42
2.3 EMD 分解论证........................................................................................43
2.4 Hilbert 变换时频分析论证.....................................................................45
2.5 小结..........................................................................................................46
3 钢筋混凝土 U形梁非线性振动特性分析......................................................46
3.1 选择测点信号.........................................................................................46
3.2 U 形梁各状态下的频率识别.................................................................48
3.3 EMD 提取各状态一阶和三阶频率信息...............................................49
3.4 各状态 Hilbert 变换时频分析.................................................................53
3.5 U 形梁各状态频率-振幅图....................................................................57
4 U 形梁结构的非线性振动特性在损伤检测中的应用...................................59
5 本章小结............................................................................................................60
第六章 结论与展望...................................................................................................61
1 结论....................................................................................................................61
2 展望....................................................................................................................62
参考文献.........................................................................................................................63

第一章绪论

1.1 结构损伤识别研究概述

1.1.1 结构损伤识别研究的背景和意义

随着我国综合国力的不断提高和科学技术的飞速发展，越来越多的大型化、

复杂化和智能化的结构应运而生。新型桥梁、高层超高层结构、大跨度长悬臂结构

等以其雄伟的外形，较高的承载力和较强的跨越能力倍受青睐。而无论是新生建

筑还是早已服役多年的老一辈建筑，在使用过程中都会不可避免地遭受到地震、

火灾、强风暴雨、疲劳和材料老化、人为破坏、周围环境的腐蚀等恶劣性事件的影

响，这些影响都会对结构的健康造成极大的危害，增加结构不同程度的损伤累积，

从而降低结构的承载能力，在极端情况下还将导致灾难性的事故，造成巨大的经

济损失和人员伤亡。

国内外关于在役建筑结构因损伤累积而引起的重大事故的报道屡见不鲜，

如1967 年12 月发生的美国俄亥俄河银桥的突然倒塌事件就致使46 人死亡；

1994 年韩国汉江圣水大桥中段落入江中，桥上包括1辆载满学生及上班族的巴

士和1辆载满警员的客货车在内的6辆汽车跌入汉江，造成 32 死，17 伤的惨剧；

1999 年重庆綦江彩虹桥发生整体垮塌，造成 40 死，14 伤的惨痛代价，而其直接

经济损失更是高达 631 万元；2004 年5月法国戴高乐机场 2E 候机楼的一个伸出

部分屋顶结构忽然发生倒塌，造成 6人死亡，多人受伤，其中包括2名中国公民。

这一切对工程界产生了极大的震动，触目惊心的数字也使人们对很多工程结构的

安全产生了疑问。难道我们每天都要生活在恐惧之中吗？

图1-1 美国俄亥俄河银桥倒塌图1-2 韩国汉江圣水大桥断落

上海理工大学硕士学位论文

图1-3 重庆綦江彩虹桥整体垮塌图1-4 法国戴高乐机场部分屋顶倒塌

到目前为止，我国已有使用年限达到40 年以上的房屋建筑约 40 亿平方米，

使用年限超过50 年的桥梁约7800 座，这些结构都是社会发展的基础，社会经济

的命脉。而它们现存的安全度严重低于建筑设计规范要求等问题，要求我们应大

力加强对已有建筑的诊断及采取加固措施，以保证它们的功能性和安全性。因此，

科学的检测和评估现役结构，为最大限度地利用现有结构提供依据，保证结构安

全，避免灾难性事故的发生刻不容缓。

正是上述背景催生了结构健康监测这一热门研究课题。学者们对结构健康监

测的定义是：通过对服役中的工程结构进行信号提取并分析，从而得到反映工程

结构物理参数及工作性能评价的一种方法[1,2]。结构健康监测的目的是：通过一定

的方式测试结构的实际状态参数，诊断结构的损伤并据此评判结构的实际可靠度

水平，为结构的加固和安全使用决策提供客观依据。结构的损伤识别对于结构健

康监测系统而言是至关重要的，而成功的识别出已有服役结构的损伤对于建立一

个完备的健康监测系统更是具有重要的指导意义。因此，当下服役结构的损伤识

别正成为土木工程界一个活跃指数极高的研究领域，而更不足为奇的是其亦正迅

速发展成土木工程专业的一门重要分支学科。

1.1.2 结构损伤识别方法

结构损伤识别的研究主要包括三个方面的内容：

（1）结构损伤的识别，即结构是否发生损伤，是结构损伤识别的基础；

（2）结构损伤的定位，即结构发生损伤的具体位置，是结构损伤识别的核

心，亦是问题的难点所在；

（3）结构损伤程度的测定与评估，因其能为评判结构的完整性和实施加固

维修策略提供依据，所以是结构损伤识别的最终目的。

工程结构损伤识别的方法总体上可以分为两类，即静态识别方法和动力识

别方法。

1）静态识别方法

静态识别方法是指基于结构静态特性变化的结构损伤识别方法，其评判损

伤的主要参数指标包括位移和应变等。结构如果发生某些变异，结构的刚度就会

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摘要：

摘要工程结构的损伤使得结构材料性质和几何条件发生改变，再加上裂缝的产生和发展，结构的振动特性会因此受到很大影响，所以，实际结构的振动都会表现出或强或弱的非线性特点。用线弹性假定来描述结构损伤前后的振动特点，便遗漏了包含非线性特性的损伤信息，影响结构损伤识别的效果。因此，采用非线性振动特征来进行损伤识别就显得尤为重要。钢筋混凝土U形梁，以其结构合理、外形美观、施工方便、环境和谐等特点逐渐成为公路、铁路桥梁和市域快轨等交通线路敷设的首选形式。在U形梁得到广泛应用的同时，为延长其使用寿命，避免灾难性事故的发生，其损伤检测也成了众多学者热门研究的领域。本文研究的工作主要有：首先，在非线性振动分析的经典...

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