一種基于結(jié)構(gòu)殘余模態(tài)力的高樁碼頭基樁損傷診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及碼頭基粧損傷診斷方法，特別是一種基于結(jié)構(gòu)殘余模態(tài)力的高粧碼頭 基粧損傷診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高粧碼頭，是由基粧和上部結(jié)構(gòu)組成，粧的下部打入土中，上部高出水面，上部結(jié) 構(gòu)有梁板式、無(wú)梁大板式、框架式和承臺(tái)式等。高粧碼頭屬透空結(jié)構(gòu)，波浪和水流可在碼頭 平面以下通過(guò)，對(duì)波浪不發(fā)生反射，不影響泄洪，并可減少淤積，適用于軟土地基。廣泛采用 長(zhǎng)粧、大跨結(jié)構(gòu)，并逐步用大型預(yù)應(yīng)力混凝土管柱或鋼管柱代替斷面較小的粧，而成管柱碼 頭。高粧碼頭是用系列長(zhǎng)粧打入軟土地基形成粧基礎(chǔ)，以承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載。它的 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能承受較大荷載，材料用量少，適用于軟土層較厚的淤泥質(zhì)海岸。在港口 碼頭工程中，高粧碼頭是主要的應(yīng)用結(jié)構(gòu)型式之一，在船舶?？看a頭時(shí)的撞擊力、岸坡的變 形變位、使用荷載等一些外荷載的作用下，高粧碼頭基粧出現(xiàn)損傷的問(wèn)題普遍存在。高粧碼 頭基粧對(duì)高粧碼頭的安全性及穩(wěn)定性起著很重要的作用，它是支撐高粧碼頭上部結(jié)構(gòu)的主 要受力構(gòu)件。碼頭結(jié)構(gòu)基粧損傷診斷，其目的是確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷，進(jìn)而判斷損傷的程 度和方位，結(jié)構(gòu)目前的狀況、使用功能以及結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢(shì)等?，F(xiàn)有的損傷診斷方法多 采用反射波法，在反射波法中，波速是基粧損傷診斷的最基本參數(shù)，從影響因素來(lái)說(shuō)，參數(shù) 的復(fù)雜性導(dǎo)致該方法存在以下問(wèn)題：一是波形曲線受粧周不同土層的影響，并且粧周土?xí)?造成應(yīng)力波損耗，準(zhǔn)確診斷損傷，需要了解對(duì)粧周的土質(zhì)情況；二是基粧的第二處損傷難以 準(zhǔn)確識(shí)別，當(dāng)?shù)谝惶帗p傷比較大時(shí)，力波的上行與下達(dá)會(huì)受到嚴(yán)重的影響，這將直接導(dǎo)致第 二處損傷識(shí)別難度的增加；三是只能對(duì)基粧的損傷進(jìn)行基本的定性分析，不能達(dá)到定量的 高度，根據(jù)單一的應(yīng)力波形特征，對(duì)基粧損傷段的厚度以及裂隙寬度作出定量分析還難以 實(shí)現(xiàn)；此外，高粧碼頭基粧的上部一般都有碼頭上部結(jié)構(gòu)如粧帽、橫梁、縱梁、面板等，當(dāng)采 用傳統(tǒng)的應(yīng)力反射波損傷識(shí)別法診斷基粧的完整性時(shí)，由于應(yīng)力波會(huì)在粧帽與粧頂?shù)慕佑| 面、縱橫梁與粧帽接觸面、面板與縱橫梁接觸面以及基粧損傷處出現(xiàn)多次反射與傳播，這就 給基粧損傷診斷帶來(lái)很大的干擾，造成基粧損傷診斷的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種基于結(jié)構(gòu)殘余模態(tài)力的高 粧碼頭基粧損傷診斷方法。
[0004] 本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：一種基于結(jié)構(gòu)殘 余模態(tài)力的高粧碼頭基粧損傷診斷方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟一：建立未損傷狀態(tài)下的高粧碼頭基粧結(jié)構(gòu)有限元模型，并將高粧碼頭基粧 結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)單元，每個(gè)單元2個(gè)節(jié)點(diǎn)；
[0006] 步驟二：在每個(gè)所述單元上設(shè)置加速度傳感器，采集所述加速度傳感器在自然環(huán) 境激勵(lì)下檢測(cè)的模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并記錄保存；
[0007] 步驟三：對(duì)所述模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別，識(shí)別出高粧碼頭基粧結(jié)構(gòu)的一 至N階模態(tài)頻率和振型；
[0008] 步驟四：根據(jù)識(shí)別結(jié)果，對(duì)所述步驟一中的有限元模型進(jìn)行模型修正，得到基準(zhǔn)有 限元模型；
[0009] 步驟五：在未損傷工況下，對(duì)所述基準(zhǔn)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，提取各所述單元 的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；
[0010] 步驟六：在損傷工況下，對(duì)所述基準(zhǔn)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，提取相應(yīng)工況下的 各所述單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；
[0011] 步驟七：根據(jù)損傷前后各所述單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，計(jì)算出各所述單元中 每個(gè)自由度的殘余模態(tài)力向量，當(dāng)殘余模態(tài)力向量絕對(duì)值中的元素絕對(duì)值大于設(shè)定值時(shí)， 判定結(jié)構(gòu)存在損傷，并按照自由度對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)定位結(jié)構(gòu)損傷所處的位置。
[0012] 所述步驟一中，采用ANSYS有限元分析軟件建立未損傷狀態(tài)下的高粧碼頭基粧結(jié) 構(gòu)有限元模型，使用ANSYS有限元分析軟件中的Beam4單元進(jìn)行離散，將高粧碼頭基粧結(jié)構(gòu) 劃分為多個(gè)單元，每個(gè)單元2個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含6個(gè)自由度，建立單元編號(hào)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)和 自由度編號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系表。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟一中，建立未損傷狀態(tài)下的高粧碼頭基粧結(jié)構(gòu)有限元模型時(shí)， 在數(shù)值模擬過(guò)程中，以高斯白噪聲來(lái)代替自然環(huán)境對(duì)高粧碼頭基粧模型的加載，對(duì)高粧碼 頭基粧模型進(jìn)行模態(tài)分析。
[0014] 進(jìn)一步地，對(duì)尚粧碼頭基粧t吳型進(jìn)彳丁加載時(shí)，加載的位置為所有節(jié)點(diǎn)的X方向和Y 方向，加載的高斯白噪聲通過(guò)MATLAB中的wgn命令來(lái)生成。
[0015] 所述步驟二中，所述加速度傳感器采用無(wú)線信號(hào)輸出，工作頻率下限< 0. 5Hz，通 過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)記錄儀，采集所述加速度傳感器在自然環(huán)境激勵(lì)下檢測(cè)的模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并 記錄保存。
[0016] 所述步驟三中，通過(guò)在MATLAB下編程得到時(shí)域數(shù)據(jù)的自功率譜、互功率譜、相干 函數(shù)和互譜相位，識(shí)別模態(tài)頻率和振型。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟三中，N彡3。
[0018] 所述步驟四中，采用零階優(yōu)化或一階優(yōu)化算法進(jìn)行模型修正。
[0019] 所述步驟七中，計(jì)算各所述單元中每個(gè)自由度的殘余模態(tài)力向量的計(jì)算公式簡(jiǎn)化 為
C中：民為結(jié)構(gòu)的第i階殘余模態(tài)力向量；《 dl為損傷 結(jié)構(gòu)的第i階自振頻率；為損傷結(jié)構(gòu)的第i階振型，M表示系統(tǒng)未損傷工況下的質(zhì)量矩 陣；K表示系統(tǒng)未損傷工況下的剛度矩陣；AK表示結(jié)構(gòu)損傷引起的整體剛度矩陣的變化 量。
[0020] 進(jìn)一步地，所述步驟七中，定義|Rjil為單元各自由度對(duì)應(yīng)的殘余模態(tài)力向量絕對(duì) 值，其表達(dá)式為
'式中i表示模態(tài)的階數(shù)；j表示損傷結(jié) 構(gòu)的自由度序號(hào)；n為該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由度總數(shù)；當(dāng)殘余模態(tài)力向量絕對(duì)值中的元素絕對(duì) 值值大于設(shè)定值時(shí)，判定結(jié)構(gòu)存在損傷，并由自由度的序號(hào)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)定位結(jié)構(gòu)損傷所 處的位置。
[0021] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0022] 1、與傳統(tǒng)的有損傷診斷方法相比，本發(fā)明提出的方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需潛水員和水 面支撐船進(jìn)行水下作業(yè)，本發(fā)明提出的方法為無(wú)損診斷技術(shù)不會(huì)對(duì)原始結(jié)構(gòu)造成破壞；
[0023] 2、與現(xiàn)有的反射波法測(cè)試的損傷診斷方法相比，本發(fā)明避免了反射波法中多次反 射與傳播給基粧損傷診斷帶來(lái)的干擾，能夠準(zhǔn)確定位結(jié)構(gòu)的損傷；
[0024] 3、本發(fā)明提出的方法是利用高粧碼頭基粧損傷前后各單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩 陣及模態(tài)參數(shù)的變化，計(jì)算出各單元各自由度的殘余模態(tài)力向量來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷診斷的。 本方法僅需結(jié)構(gòu)損傷前后的低階模態(tài)信息，就可對(duì)結(jié)構(gòu)在單一損傷、多處損傷狀況下進(jìn)行 損傷診斷。本方法在高粧碼頭粧基檢測(cè)中具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的工作流程圖；
[0026]圖2為以高粧碼頭排架為例建立有限元模型的單元?jiǎng)澐謭D；
[0027] 圖3為高粧碼頭排架白噪聲加載信號(hào)圖
[0028] 圖4為白噪聲加載位置圖；
[0029] 圖5為單一損傷位置圖；
[0030] 圖6為工況1 :3號(hào)單元損傷10%時(shí)一階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0031] 圖7為工況2 :3號(hào)單元損傷10%時(shí)四階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0032] 圖8為工況3 :3號(hào)單元損傷30%時(shí)一階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0033] 圖9為工況4 :3號(hào)單元損傷30%時(shí)四階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0034] 圖10為工況5 :3號(hào)單元損傷50%時(shí)一階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0035] 圖11為工況6 :3號(hào)單元損傷50%時(shí)四階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0036] 圖12為多位置損傷示意圖；
[0037] 圖13為工況7 :2號(hào)單元損傷10%、15號(hào)單元損傷30%、28號(hào)單元損傷50%時(shí)一 階模態(tài)下殘余模態(tài)力向量圖；
[0038] 圖14為工況