鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法及系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法及系統(tǒng)，該方法包括如下步驟：監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取加速度響應(yīng)信號(hào)；計(jì)算加速度響應(yīng)信號(hào)每一時(shí)刻的小波系數(shù)，并通過(guò)小波系數(shù)的變化率計(jì)算結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，損傷指標(biāo)與鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系；根據(jù)損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化確定鋼框架結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比較鋼框架結(jié)構(gòu)不同部位的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置；根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定結(jié)構(gòu)損傷程度。本發(fā)明適用于各種不同類(lèi)型激勵(lì)下鋼框架結(jié)構(gòu)的突變損傷識(shí)別，能準(zhǔn)確的識(shí)別很小程度的突變損傷，具有較強(qiáng)的抗噪能力，而且解決了傳統(tǒng)損傷識(shí)別方法中無(wú)法識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷程度的難題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法及系統(tǒng) 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，尤其涉及一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法及系 統(tǒng)。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 土木工程結(jié)構(gòu)的安全性是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要問(wèn)題。目前許多復(fù)雜新穎的結(jié)構(gòu) 如高層建筑、特大橋梁及海洋平臺(tái)等紛紛建立。由于設(shè)計(jì)不合理、施工不合格以及惡劣服役 環(huán)境和強(qiáng)烈荷載的作用，使得土木工程結(jié)構(gòu)不可避免的產(chǎn)生損傷累積，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)及 加固，則可能導(dǎo)致災(zāi)害性事故和重大的損失。例如1995年韓國(guó)三豐百貨大樓倒塌、1999年 重慶綦江虹橋整體垮塌、2000年臺(tái)灣高屏大橋斷裂、2003年墨西哥灣海洋平臺(tái)的倒塌等。 這些土木工程結(jié)構(gòu)作為國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其安全直接關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn) 安全和社會(huì)的和諧發(fā)展。因此，如何采用合理的方法檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)土木工程結(jié)構(gòu)的損傷破壞 狀況，并進(jìn)一步的保證土木工程結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境和強(qiáng)烈荷載作用下的安全性，是擺在廣大 工程技術(shù)人員和科研工作者面前的一個(gè)現(xiàn)實(shí)課題，也是近年來(lái)土木工程領(lǐng)域內(nèi)重要的熱點(diǎn) 研宄問(wèn)題之一。
[0003] 結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別利用信息采集及傳感系統(tǒng)獲取結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜力響應(yīng)，通過(guò)合理的分析 方法了解結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特性，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的目的。與傳統(tǒng)的 無(wú)損檢測(cè)方法不同的是，損傷識(shí)別是根據(jù)結(jié)構(gòu)在同一位置上不同時(shí)間的振動(dòng)反應(yīng)結(jié)果的變 化來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別的關(guān)鍵問(wèn)題是檢測(cè)結(jié)構(gòu)中損傷的出現(xiàn)、位置和程度三 大指標(biāo)來(lái)判定結(jié)構(gòu)當(dāng)前工作性能，這是損傷識(shí)別的核心，也是難點(diǎn)。目前損傷識(shí)別方法主 要分為基于損傷指標(biāo)的診斷方法、模型修正方法以及基于信號(hào)的診斷方法三大類(lèi)。其中基 于損傷指標(biāo)的診斷方法主要有頻率變化、振型變化、模態(tài)曲率、傳遞函數(shù)、模態(tài)置信準(zhǔn)則、坐 標(biāo)模態(tài)置信準(zhǔn)則等?；谀Ｐ托拚姆椒ㄖ饕袃?yōu)化矩陣修正方法、基于靈敏度的修正方 法、特征結(jié)構(gòu)分配法以及隨機(jī)模型修正方法等。基于信號(hào)的診斷方法主要有小波變換及小 波包變換方法、基于希黃變換、基于自回歸模型的方法等。
[0004] 工程結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，容易發(fā)生由于裂縫擴(kuò)展、桿件失穩(wěn)、桿件斷裂等引起的損 傷破壞，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度突然減小，發(fā)生剛度突變損傷。對(duì)于這類(lèi)剛度突變損傷目前主要 采用小波變換和希爾伯特黃變換這類(lèi)信號(hào)處理方法進(jìn)行損傷識(shí)別。小波變換首先直接計(jì)算 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的小波系數(shù)，通過(guò)判別小波系數(shù)峰值來(lái)判別突變損傷發(fā)生的時(shí)間和位置。 希爾伯特黃變換與小波變換類(lèi)似，首先計(jì)算結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的內(nèi)斂模分量，通過(guò)觀察第一 個(gè)內(nèi)斂模分量的峰值，來(lái)判斷突變損傷發(fā)生的時(shí)間和位置。但目前這兩類(lèi)方法在識(shí)別突變 損傷上均具有較為明顯的弱點(diǎn)：
[0005] (1)通常只能識(shí)別較大程度的結(jié)構(gòu)突變損傷（如10%以上），對(duì)于非常小的結(jié)構(gòu)剛 度損傷，如5 %以下的剛度損傷難以準(zhǔn)確有效的識(shí)別。
[0006] (2)只能識(shí)別突變損傷發(fā)生的位置和發(fā)生的時(shí)間，卻無(wú)法確定突變損傷的程度。因 此只能對(duì)突變損傷進(jìn)行定性識(shí)別，而不能進(jìn)行定量的識(shí)別，這是目前方法最主要的缺陷。
[0007] (3)目前方法對(duì)信號(hào)噪聲的抗干擾能力不強(qiáng)，如果損傷程度很大（如20%以上） 時(shí)，尚具有較好的識(shí)別效果。但是如果在微小損傷的情況下，無(wú)噪聲時(shí)已經(jīng)較難識(shí)別損傷事 件，在噪聲干擾作用下更是難以識(shí)別結(jié)構(gòu)的突變損傷。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0008] 基于此，本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別 方法，在檢測(cè)過(guò)程中所需信息少，識(shí)別效率高，并且具有很好的識(shí)別精度。
[0009] 本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)容具體如下：
[0010] 一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法，包括如下步驟：
[0011] 監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)；
[0012] 對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系數(shù)，并通過(guò)所 述小波系數(shù)的變化率計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，所述損傷指標(biāo)與鋼框架結(jié)構(gòu)的 損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系；
[0013] 根據(jù)所述損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系確定鋼框架結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比較 鋼框架結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置；
[0014] 根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度。
[0015] 相應(yīng)的，本發(fā)明提供一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)，包括：
[0016] 監(jiān)測(cè)模塊，用于監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度 響應(yīng)信號(hào)；
[0017] 計(jì)算模塊，用于對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波 系數(shù)，并通過(guò)所述小波系數(shù)的變化率計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，所述損傷指標(biāo) 與鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系；
[0018] 損傷時(shí)間位置識(shí)別模塊，用于根據(jù)所述損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系確定鋼框架結(jié) 構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比較鋼框架結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置；
[0019] 損傷程度識(shí)別模塊，用于根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定鋼框架結(jié)構(gòu) 的損傷程度。
[0020] 本發(fā)明適用于各種不同類(lèi)型激勵(lì)下鋼框架結(jié)構(gòu)的突變損傷識(shí)別，能準(zhǔn)確的識(shí)別微 小程度的突變損傷，具有較強(qiáng)的抗噪能力，而且本發(fā)明的損傷指標(biāo)與損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系， 通過(guò)計(jì)算損傷指標(biāo)的大小便能確認(rèn)損傷程度，解決了傳統(tǒng)損傷識(shí)別方法中無(wú)法識(shí)別結(jié)構(gòu)損 傷程度的難題，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。 【【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
[0021] 圖1為本發(fā)明的一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷識(shí)別方法的流程示意圖；
[0022] 圖2為五層鋼框架結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明案例一中鋼框架結(jié)構(gòu)第一節(jié)點(diǎn)層的加速度曲線(xiàn)；
[0024] 圖4為本發(fā)明案例一中鋼框架結(jié)構(gòu)不發(fā)生突變損傷時(shí)和發(fā)生突變損傷時(shí)第一節(jié) 點(diǎn)層的加速度響應(yīng)信號(hào)功率譜；
[0025] 圖5為本發(fā)明案例一中db4小波的波形圖；
[0026] 圖6為本發(fā)明案例一中鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)樓層的損傷指標(biāo)計(jì)算結(jié)果；
[0027] 圖7為本發(fā)明案例一中不同損傷程度下?lián)p傷指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果；
[0028] 圖8為本發(fā)明案例一中損傷程度與損傷指標(biāo)之間的相互關(guān)系；
[0029] 圖9為本發(fā)明案例一中不同噪聲水平和不同噪聲頻段下的損傷指標(biāo)計(jì)算結(jié)果；
[0030]圖10為本發(fā)明案例二中在機(jī)械振動(dòng)荷載作用下的鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)計(jì)算結(jié) 果；
[0031] 圖11為本發(fā)明案例二中在不同損傷程度下的損傷指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。
[0032] 圖12為本發(fā)明案例二中損傷程度與損傷指標(biāo)之間的相互關(guān)系；
[0033] 圖13為本發(fā)明案例二中不同噪聲水平和不同噪聲頻段下的損傷指標(biāo)計(jì)算結(jié)果；
[0034] 圖14為本發(fā)明中一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步描述。
[0036] 如圖1所示，本實(shí)施例中所提供的鋼框架結(jié)構(gòu)損傷別的方法，其具體流程如下：
[0037]Sl監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)；
[0038] S2對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系數(shù)，并通過(guò) 所述小波系數(shù)的變化率計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，所述損傷指標(biāo)與鋼框架結(jié)構(gòu) 的損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系；
[0039]S3根據(jù)所述損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系確定鋼框架結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比 較鋼框架結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置；
[0040]S4根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度。
[0041] 本實(shí)施例通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取加速度響應(yīng)信 號(hào)，建立加速度響應(yīng)信號(hào)突變信息與小波變換系數(shù)之間的關(guān)系，提出一種用以判斷鋼框架 結(jié)構(gòu)突變損傷狀況的損傷指標(biāo)，一旦鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生突變損傷，則通過(guò)計(jì)算損傷指標(biāo)，判斷 損傷發(fā)生的時(shí)刻、位置以及損傷程度。本實(shí)施例中的損傷識(shí)別方法解決了傳統(tǒng)識(shí)別方法識(shí) 別精度低、抗噪性差和無(wú)法量化損傷程度的問(wèn)題。
[0042] 在一種【具體實(shí)施方式】中，通過(guò)以下公式對(duì)加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì) 算每一時(shí)刻的小波系數(shù)：
[0043]
【權(quán)利要求】
1. 一種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法，其特征在于，包括如下步驟： 監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)； 對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系數(shù)，并通過(guò)所述小 波系數(shù)的變化率計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，所述損傷指標(biāo)與鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷 程度呈線(xiàn)性關(guān)系； 根據(jù)所述損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系確定鋼框架結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比較鋼框 架結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置； 根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法，其特征在于，通過(guò)以下公 式對(duì)加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系數(shù)：
其中，CD1Q)表示i時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)；)_仏)為i時(shí)刻 的加速度響應(yīng)信號(hào)；Φ(t)為母小波函數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法，其特征在于，根據(jù)如下公 式計(jì)算i時(shí)刻的損傷指標(biāo)：
其中，CD1Q)表示i時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)， CD1 (i+1)表示i+Ι時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)，Λt為加速度 響應(yīng)信號(hào)的時(shí)刻間距，tmax為加速度響應(yīng)信號(hào)的最大時(shí)間長(zhǎng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別方法，其特征在于，根據(jù)所述損 傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小，采用如下方法確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度： 在預(yù)設(shè)荷載作用下使鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)； 建立損傷程度與損傷指標(biāo)之間的線(xiàn)性數(shù)值關(guān)系； 通過(guò)數(shù)值回歸的方法確定損傷指標(biāo)與損傷程度之間的線(xiàn)性參數(shù)，從而確定損傷指標(biāo)與 損傷程度之間的定量線(xiàn)性模型； 根據(jù)所述損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小，通過(guò)所述定量線(xiàn)性模型確定鋼框架結(jié)構(gòu) 的損傷程度。
5. -種鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，包括： 監(jiān)測(cè)模塊，用于監(jiān)測(cè)鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，獲取鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng) 信號(hào)； 計(jì)算模塊，用于對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系 數(shù)，并通過(guò)所述小波系數(shù)的變化率計(jì)算鋼框架結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)，所述損傷指標(biāo)與 鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度呈線(xiàn)性關(guān)系； 損傷時(shí)間位置識(shí)別模塊，用于根據(jù)所述損傷指標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系確定鋼框架結(jié)構(gòu)損 傷發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)比較鋼框架結(jié)構(gòu)不同節(jié)點(diǎn)的損傷指標(biāo)確定損傷發(fā)生的位置； 損傷程度識(shí)別模塊，用于根據(jù)損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損 傷程度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算模 塊通過(guò)以下公式對(duì)所述加速度響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行離散小波變換并計(jì)算每一時(shí)刻的小波系數(shù)：
其中，CD1 (i)表示i時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)；）_，(/)為i時(shí)刻 的加速度響應(yīng)信號(hào)；Φ(t)為母小波函數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)算模 塊根據(jù)如下公式計(jì)算i時(shí)刻的損傷指標(biāo)：
其中，CD1Q)表示i時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)， CD1 (i+1)表示i+Ι時(shí)刻的加速度響應(yīng)信號(hào)第一層分解所得的小波系數(shù)，Λt為加速度 響應(yīng)信號(hào)的時(shí)刻間距，tmax為加速度響應(yīng)信號(hào)的最大時(shí)間長(zhǎng)度。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋼框架結(jié)構(gòu)突變損傷的識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，還包括建模 模塊，在預(yù)設(shè)荷載作用下使鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生不同程度的損傷，通過(guò)所述計(jì)算模塊計(jì)算對(duì)應(yīng) 的損傷指標(biāo)；所述建模模塊建立損傷程度與損傷指標(biāo)之間的線(xiàn)性數(shù)值關(guān)系，并通過(guò)數(shù)值回 歸的方法確定損傷指標(biāo)與損傷程度之間的線(xiàn)性參數(shù)，從而確定損傷指標(biāo)與損傷程度之間的 定量線(xiàn)性模型；所述損傷程度識(shí)別模塊根據(jù)所述損傷發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的損傷指標(biāo)大小，通過(guò) 所述定量線(xiàn)性模型確定鋼框架結(jié)構(gòu)的損傷程度。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK104458173SQ201410710174
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】吳毅江, 陳波, 王干軍, 謝幸生 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局