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。工程結(jié)構(gòu)在環(huán)境作用和長期工作下會產(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，對箱梁進(jìn)行損傷識別，為梁的維修和加固提供可靠的數(shù)據(jù)是十分必要的。利用固有頻率識別損傷僅能識別梁存在損傷而無法識別損傷位置與損傷程度，利用振型進(jìn)行損傷識別檢測周期過長、過程較為復(fù)雜，無法實現(xiàn)快速檢測，對損傷的維修不利[3]。而模態(tài)應(yīng)變能法具有對損傷位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位且操作簡單、周期較短等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用到梁損傷識別中。

1 模態(tài)應(yīng)變能損傷識別相關(guān)理論

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

模態(tài)應(yīng)變能是通過結(jié)構(gòu)損傷前后模態(tài)應(yīng)變能的變化來識別損傷，它將結(jié)構(gòu)劃分成一系列的單元，計算損傷前后每個單元的模態(tài)應(yīng)變能變化率[7]，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷時，損傷區(qū)域附近的部分模態(tài)振型會發(fā)生突變，結(jié)構(gòu)中模態(tài)應(yīng)變能的分布會發(fā)生變化，因此可以利用單元模態(tài)應(yīng)變能的變化識別損傷[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)變能的無損模型及損傷后模型損傷識別

利用ANSYS 建立損傷后模型并進(jìn)行分析，針對三種工況，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，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

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

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

（2）運用模態(tài)應(yīng)變能變化率對組合箱梁進(jìn)行損傷識別，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。