基于模态应变能的冷弯薄壁钢- 重组竹组合箱梁损伤识别

史贺丽 李三庆 李青旺

（西安工业大学，陕西 西安710000）

冷弯薄壁钢- 重组竹组合箱梁具有绿色环保、经济效益高、承载力强等诸多优点。工程结构在环境作用和长期工作下会产生局部损坏、老化等，影响正常使用，损伤不断累积可能会造成巨大的经济损失和人员伤亡[2]。为保证箱梁的安全性与功能性，对箱梁进行损伤识别，为梁的维修和加固提供可靠的数据是十分必要的。利用固有频率识别损伤仅能识别梁存在损伤而无法识别损伤位置与损伤程度，利用振型进行损伤识别检测周期过长、过程较为复杂，无法实现快速检测，对损伤的维修不利[3]。而模态应变能法具有对损伤位置进行准确定位且操作简单、周期较短等优点被广泛应用到梁损伤识别中。

1 模态应变能损伤识别相关理论

Chen 提出利用模态应变能进行结构损伤识别，并提出计算损伤前后模态应变能的差值来完成对结构损伤的识别[4]。Stubbs等将模态应变能法识别损伤应用于梁式结构的检测[5]。Farrar 用五种动力损伤指标对桥梁结构进行了损伤识别分析，得出模态应变能法效果最佳的结论[6]。

模态应变能是通过结构损伤前后模态应变能的变化来识别损伤，它将结构划分成一系列的单元，计算损伤前后每个单元的模态应变能变化率[7]，当结构损伤时，损伤区域附近的部分模态振型会发生突变，结构中模态应变能的分布会发生变化，因此可以利用单元模态应变能的变化识别损伤[8]。

2 冷弯薄壁钢- 重组竹组合箱梁模拟仿真

利用ANSYS 建立箱梁模型（如图1），本模型选用重组竹厚18mm，冷弯薄壁钢厚1.5mm，U 型钢截面尺寸38mm×140mm×38mm，组合箱梁跨度2300mm，截面尺寸112mm×176mm。

图1 冷弯薄壁钢- 重组竹组合箱梁模型

组合箱梁损伤利用降低弹性模量的方法模拟。定义的三种损伤工况为：工况一，652 单元损伤20%，工况二，652 单元损伤20%和661 单元损伤50%，工况三，649 单元损伤30%、652 单元损伤20%、661 单元损伤50%，其中649、652 单元属于连续损伤单元。

3 基于模态应变能的无损模型及损伤后模型损伤识别

利用ANSYS 建立损伤后模型并进行分析，针对三种工况，其前三阶模态应变能变化率指标如图2 所示。

图2 三种工况前三阶模态应变能变化率

由图2 可知，当结构出现局部损伤、两处损伤和三处损伤且有两处损伤是连续损伤时，前三阶模态应变能变化率均能很好的定位损伤位置与损伤程度，模态应变能变化率随着结构损伤的增大而增大，分析得出的损伤在损伤单元处出现峰值，且分析得出的损伤程度基本与假定的结构损伤程度接近。

4 结论

本文运用模态应变能法对组合箱梁损伤后模型进行分析研究，得出以下结论：

（1）运用模态应变能法能够有效的对组合箱梁的损伤位置与损伤程度进行识别。

（2）运用模态应变能变化率对组合箱梁进行损伤识别，分析得出的损伤程度基本与假定的结构损伤程度接近。