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大跨复杂钢结构施工过程健康监测与分析

作　者: 李瑛
导　师: 王秀丽
学　校: 兰州理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 大跨度钢结构西宁体育馆钢管桁架健康监测施工模拟模态分析
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 141次
引　用: 3次
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内容摘要

大跨复杂空间钢管桁架结构由于其造型优美，具有较好的经济性，工厂化程度高等特点，近年来再国内发展很快。结构新颖的大空间甚至是超大空间建筑，比如大型体育场、体育馆和会展中心等也经常进入人们的视野。但这种结构所处环境状况多变，受力复杂，发生损伤和破坏的潜在危险性较大，尤其是在施工阶段，情况更为复杂。因此，对大跨空间钢结构在建造期间进行实时在线健康监测、诊断和预警研究，具有非常重要的现实意义和学术价值。在目前国内外对上述问题的研究和应用还没有形成完整体系之时，做此研究便显得更加有益。本文以西宁体育馆钢屋盖为具体研究对象进行了研究，主要内容如下：（1）研究了工程结构健康监测系统构成的总体框架和各构成部分的功能。对在工程实践中常用的传感元件，如电阻应变计、光纤光栅传感器、钢弦传感器的构成、用途和优点进行了简要介绍，并对其工作原理作了较为深入的研究。对在工程实践中常用的测量仪器，如静力水准仪和全站仪的工作原理作了初步研究。（2）对西宁体育馆监测系统进行了研究，确定了监测方案、测点布置方案及传感器的选用。对西宁体育馆钢屋盖在整个施工过程应力、变形、温度进行了实时在线监测，并对监测结果进行了分析。分析结果表明：监测取得了较好的效果，准确性较高，稳定性良好，测得的结果与实际规律基本相符。数据显示西宁体育馆钢结构处于正常工作状态，结构的应力分布合理，结构变形量在容许范围之内，表明体育馆钢屋盖施工工艺符合要求，质量好，刚度储备大，结构安全。（3）利用ANSYS有限元软件对西宁体育馆钢结构进行了施工模拟计算，将模拟计算结果和实际监测结果做了比较分析，对比分析表明：两者吻合较好，所有测点的应力在总体趋势上都在增大。本工程监测系统的监测关键点和关键部位的选取是合理的，有效的。可以为以后同类工程的测点布置提供参考和借鉴。（4）利用有限元分析软件ANSYS，对西宁体育馆钢屋盖整体结构进行了自振特性分析，提取了钢结构前20阶频率和振型，并对频率和振型进行了分析，分析结果表明：体育馆钢屋盖抗扭性能较好，整个结构的质量和刚度分布较为均匀，体育馆钢屋盖的频谱非常密集，自振特性相对复杂，在地震作用或风荷载作用下需考虑相对较多的振型参与组合计算，才能较为准确地反映结构的动力响应。最后，对本文所做的研究工作进行了总结，得出了一些有参考价值的结论，并指出了有待进一步探讨解决的问题。

全文目录

目录  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究背景和意义  10-14
  1.2 健康监测的概念研究现状和应用  14-16
    1.2.1 健康监测的概念  14
    1.2.2 健康监测的研究现状和应用  14-16
  1.3 结构施工健康监测的必要性  16
  1.4 课题来源及本文主要研究内容  16-18
第2章结构健康监测系统简述  18-27
  2.1 结构健康监测系统的构成  18-19
  2.2 健康监测常用传感元件简介  19-24
    2.2.1 电阻应变计  19-21
    2.2.2 光纤 Bragg 光栅传感器(FBG)  21-23
    2.2.3 钢弦应变传感器  23-24
  2.3 常用监测仪器简介  24-26
    2.3.1 静力水准仪  24
    2.3.2 全站仪  24-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章西宁体育馆健康监测方案及结果分析  27-48
  3.1 西宁体育馆工程概况  27-28
  3.2 西宁体育馆健康监测系统设计与研究  28-38
    3.2.1 健康监测系统设计基本原则  28
    3.2.2 监测内容  28-29
    3.2.3 监测方案  29-38
    3.2.4 监测流程及计划  38
  3.3 监测结果及分析  38-47
    3.3.1 应力应变监测结果  38-45
    3.3.2 变形监测结果及分析  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章施工过程有限元模拟及与实测对比分析  48-61
  4.1 有限元法简介  48-51
    4.1.1 有限元法概述  48
    4.1.2 有限元常用术语  48-49
    4.1.3 有限元法的分析过程  49-51
  4.2 有限元模型的建立  51-54
    4.2.1 有限元软件 ANSYS 简介  51-52
    4.2.2 单元选取  52-53
    4.2.3 材料的本构关系  53-54
    4.2.4 有限元模型的建立  54
  4.3 施工加载模拟与实测对比分析  54-57
    4.3.1 施工模拟加载方案  54-55
    4.3.2 模拟值与实测值的对比研究  55-57
  4.4 钢屋盖卸载前后竖向沉降量模拟与实测对比分析  57-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章大跨复杂钢结构整体自振特性分析  61-67
  5.1 引言  61
  5.2 模态分析的基本原理  61-63
    5.2.1 无阻尼体系的特征方程  61-62
    5.2.2 多自由度体系主振型的正交性  62-63
    5.2.3 阻尼对自振频率/周期的影响  63
  5.3 模态分析方法  63
  5.4 大跨复杂钢结构整体自振特性分析  63-66
  5.5 本章小结  66-67
结论与展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录)  72

大跨复杂钢结构施工过程健康监测与分析

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