基于探究桁架結(jié)構(gòu)損傷特征的教學(xué)改革與實踐

張漢平 祝志翔 張年勇 鐘穗東

[摘 要]桁架結(jié)構(gòu)在運(yùn)營過程中受到“損傷”，其體系物理參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力狀況異變。在開展“SRP”學(xué)生課外科技活動中，結(jié)合實驗和有限元軟件分析，針對靜力作用下結(jié)構(gòu)異變狀況進(jìn)行測試實驗及研究分析，獲得結(jié)構(gòu)異變識別特征，以及影響系數(shù)。通過進(jìn)行探究性實驗，學(xué)生能夠獲取感性的自主能力和實踐經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]桁架異變 識別應(yīng)變 實踐教育 教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A[文章編號] 2095-3437（2015）11-0181-02

一、引言

桁架工程內(nèi)在損傷的檢測是工程界歷來關(guān)心的問題，對結(jié)構(gòu)受力做出準(zhǔn)確的估計有利于避免工程事故，減少成本。前人基于有限元分析軟件總結(jié)得出了一些較準(zhǔn)確的損傷識別理論，D-S證據(jù)理論、模態(tài)指標(biāo)法、數(shù)據(jù)融合法和“能量-損傷法”等。[1]我們模擬建立模型，并借助有限元軟件MIDAS，驗證桿件桁架結(jié)構(gòu)受力異變特征和靜態(tài)應(yīng)變識別依據(jù)。

本文通過載述學(xué)生在老師引導(dǎo)下運(yùn)用專業(yè)理論知識與實操技能應(yīng)用、持對實驗嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和深入探研分析精神，思維鍛煉和能力提高的實例，再現(xiàn)了現(xiàn)代大學(xué)生實踐教改的風(fēng)采。

二、實驗?zāi)Ｐ湍M實際桁架結(jié)構(gòu)

模型的桿件材料采用鋁桿條，其彈性模量由拉伸試驗測定。基于恒載及有限測點下的損傷識別，對兩端固支，位移參量的敏感性較低，宜采用應(yīng)變作為監(jiān)測參量。[2]在桁架主要桿件長中點位置貼應(yīng)變片設(shè)為測點，測取應(yīng)變值。在恒載作用下，不同測點對梁損傷的敏感程度是不同的，應(yīng)采用基于損傷敏感度分析的布點原則，將測點布置在對不同部位（亦可損傷情況）最為敏感處。[2]實驗?zāi)Ｐ凸苍O(shè)16個測點分布于各桿件上。兩個加載作用點設(shè)在模型的桁架下側(cè)兩邊的中間節(jié)點處，并由鋼桿連接緊固一體施加力。

三、損傷異變的識別特征探究

靜態(tài)測量信息量較少，基于靜態(tài)數(shù)據(jù)測試的損傷識別方法的研究目前還處于發(fā)展階段，但它具有較高的精度和穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)成本相對低。[3]

（一）單根桿件受損分析

桁架在使用過程中往往是局部首先出現(xiàn)不同程度的破壞。考慮荷載作用下應(yīng)力最大的桿件為桁架結(jié)構(gòu)中最易受損的部位，依次對其截面損傷20%、40%、60%進(jìn)行測試，得出實測應(yīng)變值。在一根桿件受損狀況下，對應(yīng)受損桿件的測點的應(yīng)變值變化幅度較其他對應(yīng)無損桿件的測點明顯，如圖2;隨桁架所處承載工況接近極限，有損桿件的相對原無損桿件的應(yīng)變值變量明顯，如圖3。當(dāng)損傷桿件受損程度較小，各桿件測點的相對應(yīng)變值變化形式有一定的相似性，即柱狀圖的形狀相似;當(dāng)損傷桿件受損到達(dá)一定程度時，有損傷桿件的應(yīng)變值變量與無損桿件相比變化更加明顯[5]，如圖3。圖中的相對應(yīng)變值為絕對值。

圖1 ? 結(jié)構(gòu)與測點

圖2 ? 單根桿件損傷60%

圖3 ? 工況為1400N的單根桿件損傷

圖4 ? 兩根桿件同時損傷40%

實驗結(jié)果表明，受到不同程度的損傷桿件的應(yīng)變值變化與無損傷桿件的應(yīng)變值變化之間的關(guān)系不同，可進(jìn)行“損傷”定位分析，且其分析結(jié)果與模型上設(shè)定損傷的位置一致。另有：

（1）有限元建模的節(jié)點連接方式與模型節(jié)點連接方式存在差異，實驗中得出的實測值與有限元軟件分析計數(shù)值存在差別，部分無損桿件的相對應(yīng)變值不能忽略。

（2）與損傷桿相連接的桿的應(yīng)變有一定程度的比其他無損桿件都較大的變化。在一定準(zhǔn)確范圍內(nèi)，可通過監(jiān)測相鄰桿件的相對應(yīng)變值變量來進(jìn)行損傷定位分析[5]，從而推斷有損傷桿件大致位置。

（二）多根桿件受損分析

除了最易受損的受力最大的部位外，桁架在使用中亦會出現(xiàn)多個受力大的部位同時發(fā)生損傷情況。為此，實驗對桁架模型承載應(yīng)力最大的四根桿件，見圖1，依次對1、2、3、4根桿件進(jìn)行同時損傷20%、40%、60%的測試，選其中的部分?jǐn)?shù)據(jù)作分析與結(jié)論說明。

1.對兩根受力大的桿件（1、2桿件）進(jìn)行損傷設(shè)定實驗。圖4中可知，在不同荷載工況下，雖可識別出損傷的大致部位，但僅對其中一根損傷桿件有明顯識別效果，而對另一根損傷桿件（L）的識別效果卻不明顯，與受損桿件相連接的無損桿件也出現(xiàn)很大的相對應(yīng)變值。

分析：由于“損傷”帶來的受力狀態(tài)異常（應(yīng)變值的突變）情況，很可能先在其中一根受損桿出現(xiàn)，因而影響另外一根損傷桿件受力，即其“識別”受影響。可見，桿件的損傷打破原有導(dǎo)的受力平衡，致使桿件的識別不為常態(tài)。

2.對受力大的三根（1、2、3桿件）和四根桿件（1、2、3、4桿件）進(jìn)行損傷設(shè)定實驗。

在多根桿件同時受損的情況，識別效果較單根桿件受損的情況差，僅可對其中一個或兩個可作“有效”受損識別，其余的受損部位為盲點。

分析：桿件受損后受力狀態(tài)發(fā)生改變，受損桿件連接的情況下，異變受力狀態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)變效應(yīng)疊加，可使相連接受損單元之間互為干涉，導(dǎo)致識別效果減弱。

（三）識別損傷的相關(guān)系數(shù)

由靜測數(shù)據(jù)得出的應(yīng)變列陣推定識別損傷的相關(guān)系數(shù)。

對任意單元i，假設(shè)其桿端連接節(jié)點為1、2，則其兩桿端軸力在x，y方向上的投影列陣為：[F1x ?F1y ?F2x ?F2y]T=[ki] （e）[u]，式中[ki] （e）為桁架單元剛度矩陣，在文獻(xiàn)[4]中已推導(dǎo)，[u]是桿i單元兩節(jié)點的位移列陣[u1 v1 u2 v2]T;由胡克定律有桿件內(nèi)力：Ni=EAεi，εi表示i桿件的應(yīng)變值，對該桿件可建立平衡方程，由幾何關(guān)系[4]，有桿件伸長量與桿端位移關(guān)系為：

Δl=εli=-u，cosa-v1sinΔl=εli=u2cosa+v2sina，

上述關(guān)系，通過應(yīng)變值得到桁架的各個節(jié)點位移，形成位移列陣。

設(shè)Uu，Ud為結(jié)構(gòu)損傷前后的節(jié)點位移列陣，經(jīng)測試獲得各桿件的應(yīng)變值，從而推導(dǎo)損傷前后桁架節(jié)點位移的變化各桿件的應(yīng)變值列陣ΔU=Uu-Ud，運(yùn)用靜測法分析得到結(jié)構(gòu)損傷識別系數(shù)。

基于現(xiàn)有的識別方法，結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實使用中狀況復(fù)雜以及成本高、工作量大等仍然是阻礙因素。如何利用試驗?zāi)Ｐ停瑥哪M結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)中找出阻礙其識別方法應(yīng)用的影響因子，且系統(tǒng)地將其歸納完善，也是一個具有現(xiàn)實意義的課題研究。

四、實踐教育改革的感慨

傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)，在教學(xué)效果存在些問題：課程和教材更新緩慢;“填鴨式”的教學(xué)方式;發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的綜合能力甚低等。這些問題極大地影響到學(xué)生們的思維及其拓展的積極性，并且可能會降低學(xué)生對實驗的重視程度，難以在創(chuàng)新實踐教改方面取得進(jìn)展。

在這次“SRP”大學(xué)生課題實踐研究活動中，項目研究以優(yōu)化教學(xué)效果為核心，以引導(dǎo)學(xué)生崇尚科學(xué)、勇于實踐、敢于創(chuàng)新為旨，通過綜合能力訓(xùn)練項目，有效提高其創(chuàng)新思維能力和持續(xù)拓展能力的目的。

在這過程中，實驗室全面開放，給學(xué)生提供一個完全自主發(fā)揮實踐的平臺。學(xué)生提出建議，老師引導(dǎo)、與學(xué)生探討、分享想法，改變了傳統(tǒng)實驗室教學(xué)的面授與被動學(xué)習(xí)關(guān)系，學(xué)生感受濃烈的學(xué)研氣氛，活躍了學(xué)生的思維，提高了積極性。本次研項活動，學(xué)生掌握了有限元軟件的使用與實際模型相結(jié)合的技能，熟練掌握了現(xiàn)今比較普遍的應(yīng)變采集及分析方法，認(rèn)識到團(tuán)隊合作的重要性。

實踐證明，讓學(xué)生參與課題（科研）初步接觸和自主探索，作為大學(xué)生教學(xué)改革方式，有著其顯著成效。高校實驗室的這種“開放、自主、引導(dǎo)和提升”教學(xué)模式，能使學(xué)生獲得更多在傳統(tǒng)實驗室教學(xué)中得不到知能，興趣和能力的提升，從而獲得顯著的教學(xué)效果，此舉極具推廣價值。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] Vicene Torra.A new Combination Function in Evidence Theory[J].International journal of intelligence systems，1995（1）：1021-1033.

[2] 劉綱.恒載作用下梁和橋梁的損傷識別研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2008（5）：28-31.

[3] 陳孝珍.基于靜力測量數(shù)據(jù)的橋梁結(jié)構(gòu)損傷定位研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（5）：404-408.

[4] 潘爾干.平面析架單元剛度矩陣的直接建立[J].邵陽高專學(xué)報，1995（1）：25-27.

[5] 張家第.基于靜力響應(yīng)的桁架結(jié)構(gòu)損傷識別研究[D].武漢理工大學(xué)，2006.

[責(zé)任編輯：張 雷]