基于小波分析的正放四角锥网架结构损伤检测数值模拟研究

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空间钢结构由于具有刚度大、自重轻、受力合理、抗震性能好等优点被广泛用于工业和民用建筑当中。网架结构作为空间钢结构中采用量最多的一种,成为了大跨度建筑屋盖的主要结构形式,在国内外都得到了迅猛的发展。但是网架结构在服役年限内由于荷载和其它因素的影响而出现损伤问题,严重的可导致结构失效。为了保证结构的安全,及时确定结构损伤位置及损伤程度,找出有效的结构损伤识别方法和对结构损伤敏感的参数是现阶段国内外学者研究的热点问题。本文首次采用模态分析和小波分析相结合的方法进行钢结构损伤检测。对如何利用小波分析提取损伤特征,在有噪声干扰的情况下如何进行降噪以及如何对正放四角锥网架的损伤位置及损伤程度进行判定等方面做了初步研究,其主要内容如下:1)本文利用小波分析的方法,以应变能为结构损伤判定指标,分别对悬臂梁、平面桁架,空间网架等结构模型进行模拟仿真,将原始损伤信号进行小波变换,得到小波系数变换图,结果表明根据小波系数变换图中的奇异点可初步确定结构损伤区域。2)为了解决实际检测中有用信号夹杂噪声信号的问题,本文应用小波分析对含噪信号进行降噪。利用MATLAB软件进行了一系列信号降噪的模拟实验:首先采用相同类型小波不同阈值对信号进行降噪,然后将小波和小波包的降噪效果进行对比,结果表明较小波而言,小波包分析用于信号降噪更具有优越性。3)研究了采用小波分析与模态分析相结合的方法识别结构损伤的可行性。本文以桁架结构为模型,将损伤前后应变模态差和曲率模态差作为损伤指标,对损伤信号进行小波分析,根据小波系数变换图中的奇异点判定损伤位置,并与给定损伤位置进行对比,结果表明小波分析和模态分析结合的方法可以有效的识别结构损伤。4)将小波变换与模态分析相结合的方法用于正放四角锥网架损伤检测。由于考虑到网架结构是以单杆作为受力单元的结构,单个节点连接多根杆件,节点损伤信息无法反映杆件损伤的准确位置,所以必须采用适当的单元损伤信息才能更好的判定损伤位置。为了解决这个问题,本文提出了采用结构损伤前后的单元应变模态差和单元曲率模态差作为网架结构损伤判定的识别指标,结合小波变换,分别从杆件单损伤和多损伤情况对网架结构进行损伤识别,并用损伤单元应变模态差值初步判定损伤程度,这一研究对实际工程具有一定的指导意义。
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