空间网格结构模态局部化与跃迁理论及损伤监测研究

空间网格结构是高密集模态周期性结构，动力特性复杂，长期服役易产生不同形式的内部损伤，对其进行损伤监测研究十分必要。本项目针对其动力学特点，考虑结构损伤导致模态局部化与模态跃迁影响，以理论分析、数值模拟和模型试验为手段，解决空间网格结构损伤监测过程中的本质科学问题。研究空间网格结构模态局部化现象的机理，提出定量描述模态局部化判据；研究空间网格结构模态跃迁的变化规律，确定模态跃迁前后模态对应关系的判定准则；研究环境激励下空间网格结构模态参数在线识别方法，建立空间网格结构考虑模态局部化与跃迁的多阶段分区域损伤监测理论。本项目首次探讨空间网格结构的模态局部化和跃迁现象，更深层次地探讨空间网格结构的动力学特性和损伤监测理论。本项目得以完成，将会为进一步研究该结构体系防灾减灾理论打下基础，为空间网格结构的抗风抗震设计提供科学依据和理论支持，为提前采取自救措施，避免或减少人民生命财产损失提供有力保障。

空间网格结构具有高密集模态的动力特性，一旦结构存在失谐，即有可能出现模态局部化现象和模态跃迁现象。因此，对空间网格结构进行损伤监测研究，应首先对损伤结构的动力学特性开展研究，然后以此作为依据开展损伤监测方法的研究工作，这将更具有实际意义和应用价值。基于以上考虑，本项目借鉴国内外结构损伤监测领域的新方法和新技术，结合空间网格结构的本质动力特性，开展了如下研究：1) 采用摄动法对模态局部化和模态跃迁的发生机理进行了理论推导和分析，以球面网壳结构为例，着重分析了不同刚度或质量失谐参数对结构振动局部化和模态跃迁的影响规律；2) 提出了表征模态局部化现象的模态位移局部化因子和模态应变能局部化因子，提出了确定模态跃迁前后模态对应关系的模态置信准则法，并以球面网壳和拱支网壳为算例进行了参数影响分析；3) 研究了网壳结构中的频率曲线转向现象，提出了简化模型并进行了理论推导，分析了频率曲线转向和模态跃迁之间的关系；4) 提出了环境激励下低阶时域方法的统一理论和环境激励下高阶频域方法的统一理论，以平面桁架结构为算例进行了仿真分析；5) 提出了仅利用损伤结构信息即可进行结构损伤识别曲率模态曲面拟合损伤识别理论，对空腹网架结构进行了验证分析；6) 设计制作了单层肋环形球面网壳试验模型，测试了结构模态参数，验证了上述现象和方法。本项目深层次地探讨了空间网格结构损伤前后的动力学特性、参数识别及损伤监测理论，具有很强的科学针对性，研究成果可为空间网格结构及其他土木工程结构的损伤监测研究提供借鉴和参考。