基于模態(tài)應(yīng)變能的冷彎薄壁鋼- 重組竹組合箱梁損傷識(shí)別

史賀麗 李三慶 李青旺

（西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710000）

冷彎薄壁鋼- 重組竹組合箱梁具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益高、承載力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。工程結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用和長(zhǎng)期工作下會(huì)產(chǎn)生局部損壞、老化等，影響正常使用，損傷不斷累積可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。為保證箱梁的安全性與功能性，對(duì)箱梁進(jìn)行損傷識(shí)別，為梁的維修和加固提供可靠的數(shù)據(jù)是十分必要的。利用固有頻率識(shí)別損傷僅能識(shí)別梁存在損傷而無(wú)法識(shí)別損傷位置與損傷程度，利用振型進(jìn)行損傷識(shí)別檢測(cè)周期過(guò)長(zhǎng)、過(guò)程較為復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，對(duì)損傷的維修不利[3]。而模態(tài)應(yīng)變能法具有對(duì)損傷位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位且操作簡(jiǎn)單、周期較短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到梁損傷識(shí)別中。

1 模態(tài)應(yīng)變能損傷識(shí)別相關(guān)理論

Chen 提出利用模態(tài)應(yīng)變能進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別，并提出計(jì)算損傷前后模態(tài)應(yīng)變能的差值來(lái)完成對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的識(shí)別[4]。Stubbs等將模態(tài)應(yīng)變能法識(shí)別損傷應(yīng)用于梁式結(jié)構(gòu)的檢測(cè)[5]。Farrar 用五種動(dòng)力損傷指標(biāo)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷識(shí)別分析，得出模態(tài)應(yīng)變能法效果最佳的結(jié)論[6]。

模態(tài)應(yīng)變能是通過(guò)結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)應(yīng)變能的變化來(lái)識(shí)別損傷，它將結(jié)構(gòu)劃分成一系列的單元，計(jì)算損傷前后每個(gè)單元的模態(tài)應(yīng)變能變化率[7]，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷時(shí)，損傷區(qū)域附近的部分模態(tài)振型會(huì)發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)中模態(tài)應(yīng)變能的分布會(huì)發(fā)生變化，因此可以利用單元模態(tài)應(yīng)變能的變化識(shí)別損傷[8]。

2 冷彎薄壁鋼- 重組竹組合箱梁模擬仿真

利用ANSYS 建立箱梁模型（如圖1），本模型選用重組竹厚18mm，冷彎薄壁鋼厚1.5mm，U 型鋼截面尺寸38mm×140mm×38mm，組合箱梁跨度2300mm，截面尺寸112mm×176mm。

圖1 冷彎薄壁鋼- 重組竹組合箱梁模型

組合箱梁損傷利用降低彈性模量的方法模擬。定義的三種損傷工況為：工況一，652 單元損傷20%，工況二，652 單元損傷20%和661 單元損傷50%，工況三，649 單元損傷30%、652 單元損傷20%、661 單元損傷50%，其中649、652 單元屬于連續(xù)損傷單元。

3 基于模態(tài)應(yīng)變能的無(wú)損模型及損傷后模型損傷識(shí)別

利用ANSYS 建立損傷后模型并進(jìn)行分析，針對(duì)三種工況，其前三階模態(tài)應(yīng)變能變化率指標(biāo)如圖2 所示。

圖2 三種工況前三階模態(tài)應(yīng)變能變化率

由圖2 可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部損傷、兩處損傷和三處損傷且有兩處損傷是連續(xù)損傷時(shí)，前三階模態(tài)應(yīng)變能變化率均能很好的定位損傷位置與損傷程度，模態(tài)應(yīng)變能變化率隨著結(jié)構(gòu)損傷的增大而增大，分析得出的損傷在損傷單元處出現(xiàn)峰值，且分析得出的損傷程度基本與假定的結(jié)構(gòu)損傷程度接近。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用模態(tài)應(yīng)變能法對(duì)組合箱梁損傷后模型進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用模態(tài)應(yīng)變能法能夠有效的對(duì)組合箱梁的損傷位置與損傷程度進(jìn)行識(shí)別。

（2）運(yùn)用模態(tài)應(yīng)變能變化率對(duì)組合箱梁進(jìn)行損傷識(shí)別，分析得出的損傷程度基本與假定的結(jié)構(gòu)損傷程度接近。