考虑屋面覆盖影响的大型空间结构有限元模型修正与健康监测

Based on the structural health monitoring of the Stadium of Shenzhen Summer Universiade Sports Center, this project is to study on the large spatial structural FE model updating and health monitoring technology based on multi-scale modelling method considering the effects of joints and roof coverings. It will be realized by the methods of theoretical analysis, numerical simulation, model experiment, as well as the field measurement. First of all, the effects of the joints and the roof coverings to the performance of the whole structure will be studied based on multi-scale modelling method, and the refined basic model of the structure will be obtained, which is a more practical model of the real structure. Secondly, the refined model will be updated based on the tested static and dynamic parameters. In this process, the number and the placement of the sensors, modal parameter identification should be studied, and the updated model should be viladated. And last, based on the long term monitoring data, the condition assessment of the whole structure will be carried out. The results of these study will establish a good foundation for the structural health monitoring of large-scale spatial structures.

结合目前正在进行的深圳大运会体育中心体育场的健康监测，本课题将以理论分析、数值模拟、模型试验和现场实测相结合的方式，进行考虑节点构造以及屋面覆盖影响的基于多尺度建模的大型空间结构有限元模型修正和健康监测技术研究。首先，针对目前大型空间结构工程的屋面覆盖及次结构的构件截面很大并必将对整体结构受力性能带来影响这一现状，基于局部精细化的多尺度建模方法，研究节点及屋面覆盖形式对结构静动力性能的影响，建立更符合实际情况的结构分析模型。在此基础上，基于实测静动力参数，进行具有众多杆件的大型空间结构有限元模型修正技术研究，包括适于大型空间结构的传感器数量确定原则和优化布置研究、结构模态参数识别以及基于实测数据的结构模型修正和确认方法研究。最后，基于修正的有限元模型，利用长期监测的静动力数据进行损伤识别，进而对其健康状况进行评定。研究成果将为目前大量应用的大型空间结构的健康监测奠定一定的理论和实践基础。

随着经济的发展和建筑工程技术的提高，近年来我国建设了大量如体育场馆、交通枢纽、会展中心等大型空间结构工程。该类结构的安全性不仅涉及建筑自身，更加关系到当地的社会、经济以及人民生命财产的安全。对已建成的大型结构采取有效的手段进行健康监测、损伤诊断和安全状况评定，不仅有利于在役结构的安全运行，也有利于对新建结构提供经验，具有重要的工程实践意义。结合多项大型实际工程的健康监测/检测，本项目从理论分析、数值模拟、模型试验以及工程应用等方面进行了下列工作。首先，研究了网架结构多尺度有限元建模方法，分析了檩条及屋面板对整体结构的影响，檩条等因参与共同工作而明显增大整体结构的刚度。其次，在深入分析比较了各种常用方法基础上，提出了基于振型相关性的自动频域模态参数识别MAC-FDD法，可准确识别出各阶模态频率和振型、有效避免模态遗漏；提出了考虑结构振型的改进功率谱峰值法，也可有效地避免模态遗漏；基于大量分析给出了随机减量法中触发水平及采样时长的合适取值范围，并提出了基于多触发水平的平均随机减量法（M-RDT），对结构响应在不同触发条件下所得的若干RDS进行平均，其结果明显优于其他任何单触发条件下的结果；提出了省时的随机子空间方法，能够较为准确的识别结构的频率、阻尼比和振型，抗噪性能好、易于编程并可大大提高计算效率。上述方法均应用于实际工程的模态参数识别。第三，通过算例和试验模型进行了网格结构损伤识别、模型修正研究，提出了从子结构到节点再到具体杆件的大型网格结构损伤识别方法以及考虑节点刚度的模型修正方法。第四，基于响应面法和蒙特卡洛法分析了鄂尔多斯伊金霍洛旗体育活动中心71.2m直径Geiger型索穹顶结构的可靠度，分析了温度及预应力对结构可靠度的影响。第五，完成了深圳大运中心体育场、石家庄裕彤国际体育场罩棚、乌鲁木齐新客站网架屋盖等多项大型空间结构的健康监测/检测，验证了所提各种模态参数识别方法的实用性，并直接服务于社会。