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来源：Bin Zeng, Zhen Zhou, Qing Xu, et al. Experimental investigation on damage identification of cable-stayed arch-truss structures using modal parameters[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(1):70-84.DOI:10.13206/j.gjgSE19112603
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引言
张弦桁架结构是由上部刚性拱桁架与下部柔性拉索通过中部撑杆组合而成的一种自平衡体系，具有受力合理、承载能力高、造型轻盈、跨度大等优点，被广泛应用到大跨钢屋盖结构中。但张弦桁架结构规模大、服役期限长，所处环境状况复杂，受到的荷载作用具有随机性，发生损伤的潜在危险性较大。此类结构一旦出现损伤会对结构的正常使用产生影响，甚至可能引起连续倒塌，因此研究张弦桁架结构在运营期的损伤识别具有重要的现实意义。但张弦梁结构中存在拉索、撑杆和桁架等不同类型杆件，受力机理更加复杂，其损伤识别与常规桥梁式结构或多高层建筑结构存在明显差异，目前针对张弦桁架结构的损伤识别尤其试验研究很少。因此，针对张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别方法开展试验研究。
试验模型设计
通过对某火车站顶棚结构进行缩尺简化，设计制作了两榀张弦桁架试验模型。两榀试验模型结构尺寸相同，模型总长6m，矢高0.4m，垂度0.4m，上部采用倒三角立体桁架，每两个节点之间由四角锥基本单元构成，结构中部均匀布置5根对称的圆钢管撑杆，下部布置直径8mm的钢丝绳拉索，并施加2kN预应力；试验模型一端为固定铰支座，另一端为滑动铰支座，并在结构两侧设置刚架作为受压桁架侧向支撑（图1）。两榀试验模型构件截面尺寸不同，模型1相对于模型2，杆件截面尺寸较小；荷载施加情况不同，模型1未施加外荷载，模型2在模型上弦杆布置质量块模拟结构正常使用状态的荷载(图2)。试验采用不同截面尺寸杆件替换正常杆件的方法来模拟结构损伤，即通过降低截面刚度的方法来模拟杆件损伤，根据杆件截面积丧失程度定义损伤程度。
图1 试验模型尺寸 mm
模型1 模型2
图2 试验模型
试验方案设计
试验设计了弦杆单损伤、多损伤、索撑损伤等不同程度以及不同位置的损伤工况，通过动力检测获取试验各工况前三阶模态参数：采用单点拾振、多点激励的方式进行试验，即将加速度传感器安装在桁架上弦杆件的4号节点处，然后用力锤依次对1～14号节点进行锤击，每个节点锤击激励1min，通过动态信号采集仪采集加速度信号（图3）；根据不同工况替换相应损伤杆件，依次采集加速度信号；接着利用TSTMP模态分析软件处理加速度信号，获取张弦桁架每个工况的频率与振型等模态数据，以用于之后的损伤识别分析。
图3锤击激励
本次试验中通过改变构件的截面尺寸来控制构件的刚度，从而模拟构件的损伤程度，损伤程度由截面面积的损失程度决定。表1为各部件的损伤程度，图4为测试模型的损伤图。
表1 构件损伤程度
图4 试验模型损伤图
损伤识别结果分析
张弦桁架结构相对复杂，杆件繁多，可能发生损伤的部位较多，单一损伤识别方法无法一次检测出结构各部分的健康状态。因此将张弦桁架结构分为上部刚性桁架与索撑体系两部分，针对各组成部分的特点，采用基于振动模态参数的组合识别方法对张弦桁架试验结果进行分析：上部刚性桁架对结构整体频率影响较小且杆件连续，运用曲率模态差（CMD）和模态柔度差曲率（MFDC）对其进行损伤识别；下部索撑体系杆件相对独立且单元数量相对较少，通过选取正则化频率变化率（NFCR）建立索撑体系频率指纹库的方法对其进行损伤识别。
曲率模态差是从结构各阶模态振型入手，对结构的振型进行差分得到模态曲率，再通过计算结构损伤前后曲率模态的变化得到。模态柔度差曲率是从结构的柔度矩阵入手，由损伤前后结构的各阶振型和频率共同得到结构柔度矩阵差，再对其对角元素差分得到。上部刚性桁架进行损伤识别时，根据结构损伤前后的模态数据计算绘制曲率模态差和模态柔度差曲率曲线，曲线突变最大处判定为桁架杆件损伤位置。
正则化频率变化率是从结构各阶频率入手，计算结构损伤前后的频率变化率并对其正则化得到。由于其仅是损伤位置的函数，与损伤程度无关，因此建立频率指纹库时仅需考虑每个构件的一种损伤工况，减小了样本量。索撑体系进行损伤识别时，首先建立索撑体系频率指纹库，即预先假定各种损伤工况并依据结构理论模型进行有限元分析，计算得到对应的正则化频率变化率，从而建立频率指纹库；再由实测得到的结构固有频率，计算某工况下的正则化频率变化率指标，与频率指纹库进行对比，两者最接近处判定为索撑体系损伤位置。
研究结论
采用张弦桁架的组合损伤识别方法分析试验数据，得出以下结论：
1)基于前三阶频率的正则化频率变化率指标可以有效识别索撑体系的损伤。但由于索撑单元均具有对称性，因此正则化频率变化率指标无法判断对称单元的损伤情况，需要进一步验证。
2)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均能够较好地识别上部刚性桁架结构的单损伤和多损伤，但其对不同位置杆件的损伤识别效果略有不同。由于下弦杆直接与撑杆相连，受撑杆影响较上弦杆大，因此曲率模态差法和模态柔度差曲率法对上弦杆的识别效果优于下弦杆。
3)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均可以通过曲线定性判断上部刚性桁架杆件的损伤程度，损伤程度越大，曲线突变程度也越大。另外，越高阶曲线突变程度差距越小，因此应利用低阶模态数据定性判断损伤程度。
4)与曲率模态差法相比，模态柔度差曲率曲线在非损伤位置突变小，曲线更稳定，受非损伤位置的干扰较少，识别效果更好。基于越多阶模态数据获得的模态柔度差曲率，其曲线在损伤位置发生的突变越明显，且基于前三阶模态数据得到的模态柔度差曲率完全可以满足损伤识别的精度要求。另外，越高阶振型数据得到的曲率模态差曲线突变越大，但其受干扰也越大，一般运用前两阶曲率模态差曲线可以得到较好的损伤识别效果。
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作者简介
曾滨
中冶建筑研究总院有限公司 副总经理总工程师
《钢结构（中英文）》 Steel Construction 副主编
长期从事预应力结构、结构诊治及新型结构材料（FRP）应用的研究、设计、技术推广和工程应用。近二十年工作在科研生产一线，结合工程需要，完成了预应力结构、结构诊治及结构抗震领域内的多项综合性研究课题，解决了许多工程化应用的实际问题。
主持或参加科技部“十二五”科技支撑计划、发改委重大专项、国家自然科学基金项目、中冶集团“三五”重大科研课题及总院重点研究课题等，涉及预应力技术及装备、预应力结构、结构检测鉴定改造加固及新型结构抗震体系等，同时很注重将科研成果与工程应用的有机结合，应用先进的结构及材料技术解决重大工程难题，主持完成50余项国家级或省部级重点工程的设计施工项目。
先后获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖7项，省部级科技进步二等奖5项；发表论文40余篇；参编专著1本；2项国家标准和规程的主要编写人；获得国家专利授权20余项。
周 臻
东南大学土木工程学院 教授 博士生导师
主要研究领域：自复位抗震结构与新型损伤可控结构体系；预应力结构的减振控制与健康监测；钢结构的断裂分析与模拟；新型预应力结构体系的分析理论与优化设计。
主持在研和完成国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、教育部高等学校博士学科点专项科研基金、江苏省六大人才高峰资助项目、江苏省青蓝工程青年学术带头人资助项目、江苏省优势学科资助项目、国家重点实验室开放基金等纵向科研项目10余项；出版学术专著1本；多次在国内及国际会议上发表论文，其中SCI收录15篇，EI收录30篇；授权国家发明专利9项，软件著作权2项等。
先后获得江苏省科技进步三等奖、华夏建设科学技术三等奖、中国钢结构协会科技进步二等奖等。
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融媒体编辑：慕婷婷
责任编辑：刘春
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