專利名稱：基于附加虛擬質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)損傷方法
基于附加虛擬質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)損傷方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于質(zhì)量結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適于應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)損傷識別的方法，具體的說是基于虛擬變形方法(VDM)在框架各個構(gòu)件上附加虛擬質(zhì)量、再聯(lián)合附加虛擬質(zhì)量后的頻率進行框架結(jié)構(gòu)損傷識別的方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是土木工程中的主要研究方向，其中結(jié)構(gòu)損傷識別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要理論組成部分，為結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、預(yù)警、安全評定以及全壽命設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)模態(tài)是結(jié)構(gòu)最基本的特征信息，最容易獲得和識別，它不隨著外界激勵而改變，所以基于模態(tài)特別是頻率信息的損傷識別方法被廣泛應(yīng)用于土木結(jié)構(gòu)的損傷識別中。
框架結(jié)構(gòu)受力合理，結(jié)構(gòu)分析和計算方法成熟，施工方便，適應(yīng)性強，是土木工程領(lǐng)域重要的結(jié)構(gòu)形式之一?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由梁和柱組成，各構(gòu)件之間的相關(guān)性很強，且構(gòu)件損傷對整體框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響較小，即模態(tài)關(guān)于構(gòu)件損傷的靈敏度較低。一般實際工程只能識別出一些低階模態(tài)，只利用少數(shù)的低階模態(tài)很難識別出大型框架損傷的位置和大小。目前框架結(jié)構(gòu)的損傷識別方法多將結(jié)構(gòu)簡化為剪切框架模型，剪切框架模型的特點是每層框架只有一個自由度，一層的剛度簡化為一個剪切剛度，一層質(zhì)量簡化為一個集中質(zhì)量，這樣簡化大大降低了識別的未知數(shù)目，降低了識別的難度。但是顯然剪切模型太簡單，有時候不能準(zhǔn)確表達框架結(jié)構(gòu)實際情況，特別對由梁和柱組成的普通框架模型，目前針對普通框架結(jié)構(gòu)的損傷識別的方法還比較少。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種操作簡單且只利用少數(shù)傳感器進行框架結(jié)構(gòu)損傷識別的方法。
組成框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件包括梁和柱。利用一個可移動布置的加速度傳感器和一個模態(tài)力錘，對框架中的構(gòu)件逐個進行局部動力測試；然后利用所測量的加速度響應(yīng)和力錘激勵時程，基于虛擬變形方法(Virtual Distortion Method, VDM)分別計算在框架各個構(gòu)件上附加虛擬質(zhì)量后的頻域響應(yīng)，并識別對應(yīng)的頻率；最后聯(lián)合所有附加虛擬質(zhì)量后的頻率識別框架結(jié)構(gòu)的損傷。具體方案如下
一種基于附加虛擬質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)損傷方法，該方法對框架中梁和柱的局部動力測試方法相同，不失一般性，以柱為例介紹傳感器布置和激勵方式，見

圖1，在構(gòu)件I的中間位置布置加速度傳感器3，用來測量垂直于構(gòu)件長度方向的加速度，然后在構(gòu)件中間位置沿傳感器測量方向利用模態(tài)力錘4進行激勵，并測量激勵時程。
假設(shè)一個框架由n個構(gòu)件組成，在框架的第i個構(gòu)件的中間位置布置加速度傳感器3，利用模態(tài)力錘4激勵，測量加速度響應(yīng)時程為Ji (t)，激勵的時程為A (t)。F表示傅立葉變換，則第i個構(gòu)件中點的加速度頻率響應(yīng)可由式(I)計算。
H1(Co)=7'^ = F (H)(I)v ’ FM) F a (0)
虛擬變形法(VDM)的基本思想是，結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后的響應(yīng)等價于原結(jié)構(gòu)在相同外荷載與由于結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所產(chǎn)生的虛擬力共同作用下的響應(yīng)之和。若附加質(zhì)量m后框架的第i個構(gòu)件在單位脈沖作用下的加速度頻率響應(yīng)為Av ，則由于附加質(zhì)量m所產(chǎn)生的慣性力為，-附扣卜，)即為虛擬變形法中的虛擬力。也就是說，在原結(jié)構(gòu)上第 i個構(gòu)件在脈沖激勵和虛擬力共同作用下所產(chǎn)生的加速度頻率響應(yīng)，與附加質(zhì)量m后結(jié)構(gòu)加速度脈沖頻率響應(yīng)Av 相同，即公式(2)。
HJ (<z , m) = H1 (<z ) - mHvt (<z , m) H1 (<z )(2)
由式(2)可以求得附加虛擬質(zhì)量m后的加速度脈沖響應(yīng)為式⑶。由式(3)可以看出，給定任意質(zhì)量m，附加質(zhì)量后框架第i個構(gòu)件中點的加速度脈沖頻率響應(yīng)都可以由原結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)和激勵時程的傅立葉變換代入公式(3)計算得到。進而對應(yīng)的附加質(zhì)量m后框架結(jié)構(gòu)的頻率可以由頻率響應(yīng)識別出。這里頻率可以利用峰值提取法由構(gòu)造的頻率響應(yīng)來識別頻率。w 、 H1(CD)Yi(Cd)
HUCD,m) = ^； =\ ,(3)\ + mHt (<z>) F1 (ya>) + mYi (<z>)
利用公式(3)可以計算在框架上第i個構(gòu)件上附加任意虛擬質(zhì)量m后的頻率響應(yīng)并識別出對應(yīng)結(jié)構(gòu)的頻率，從而可以給定一個最佳虛擬質(zhì)量％，并且從所有識別的頻率中挑選出一階靈敏度最高的頻率，假設(shè)為第匕階，對應(yīng)頻率記為吖最佳質(zhì)量Hli和模態(tài)階數(shù)h，需要利用理論有限元模型的模態(tài)靈敏度分析來估計和確定。設(shè) { n (m), co2i (m)，...}為在第i個構(gòu)件上附加質(zhì)量m后理論模型的頻率，其中Coji(Iii) 為在第i個構(gòu)件中間附加質(zhì)量m所對應(yīng)理論模型的第j階頻率。計算各階頻率的相對靈敏度=Hji(In)為對應(yīng)的第j階頻率關(guān)于第i個構(gòu)件的相對靈敏度，,、dcoJm) Cprii MKiCpii (m)Mm)= ; = \7為對應(yīng)的第j階頻率關(guān)于第i個構(gòu)件的靈敏度計算J SjUlIcoji [m)公式，y i為表示第i個構(gòu)件的損傷因子，(m)為對應(yīng)的第j個振型，Ki為第i個構(gòu)件的擴展剛度矩陣。從而關(guān)于第i個構(gòu)件的最佳附加質(zhì)量Hli和所選模態(tài)的階數(shù)h可由最大相對靈敏度來估計和確定，即由公式(4)來進行確定，所對應(yīng)的頻率記為辦4(M)。當(dāng)利用理論模型通過靈敏度分析將各個構(gòu)件對應(yīng)的最佳質(zhì)量和頻率階數(shù)確定下來之后，則分別對各個構(gòu)件進行局部動力測試，由公式(3)構(gòu)造對應(yīng)的頻率響應(yīng)，并識別具有較高靈敏度的頻率<G = 1,2,L , )，將由所有頻率排列為向量形式為COv(見式(5))，那么COv即可以作為實測頻率來識別框架結(jié)構(gòu)的損傷。
) - 滿足 < [(Okii K)) = max(/77, [m))(4)
權(quán)利要求
1.一種基于附加虛擬質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)損傷方法，其特征在于，利用一個加速度傳感器和一個模態(tài)力錘對框架結(jié)構(gòu)中各個構(gòu)件進行局部動力測試，如果框架由n個構(gòu)件組成，則需進行n次局部動力測試；在第i次局部動力測試時，將傳感器垂直于第i個構(gòu)件布置在其中間，用模態(tài)力錘沿傳感器測量方向和位置激勵，同時測量加速度響應(yīng)yi(t)和激勵fjt)， 對測量數(shù)據(jù)進行傅立葉變換分別獲得頻域的Yi (co)和匕(《);利用理論有限元模型計算附加質(zhì)量m后各階頻率關(guān)于第i個構(gòu)件損傷的靈敏度，從中估計和挑選出最佳質(zhì)量Hii和模態(tài)階數(shù)ky使其相對靈敏度達到最大，即Hii和h滿足公式(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于附加虛擬質(zhì)量的框架結(jié)構(gòu)損傷方法，屬于質(zhì)量結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。其特征是，利用一個加速度傳感器和模態(tài)力錘對框架中各構(gòu)件分別測量來識別框架結(jié)構(gòu)的損傷。對框架中的構(gòu)件逐個進行局部動力測試，利用虛擬變形法由測量的加速度響應(yīng)和激勵時程構(gòu)造加虛擬質(zhì)量后的頻率響應(yīng)，從而實現(xiàn)在各個構(gòu)件上附加虛擬質(zhì)量，提高各構(gòu)件對損傷的靈敏度。本發(fā)明克服了框架結(jié)構(gòu)對局部損傷不敏感和損傷定位的困難，實際操作簡單、成本低廉和識別準(zhǔn)確等特點，具有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N29/12GK102539537SQ20111045423
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者侯吉林, 喻言, 李冬生, 歐進萍 申請人:大連理工大學(xué)