基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法，适用于混凝土重力坝的强震损伤部位识别。本发明专利技术提出的损伤部位识别方法能有效反映不同损伤部位条件下混凝土重力坝的频率特征，可快速、准确地识别强震作用下大坝损伤部位。该方法操作简单，无需采用损伤探测仪，只需获得强震作用后的大坝各阶自振频率即可快速识别强震损伤部位，具有广泛的适用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及混凝土重力坝的强震损伤部位识别，具体地说是一种基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法。
技术介绍
西南地区是我国强震频发地区，一批约100m～300m世界级混凝土坝正在或将要在强震区域建设。地震作用可能使大坝产生损伤，随着时间的推移，损伤不断积累，再加上材料的不断老化(如钢筋锈蚀、混凝土炭化等)，最终使重力坝产生局部破坏乃至溃坝。这种潜在的损伤可能引起威胁人们生命和财产安全的重大灾难。因此迫切需要提出一种实用而精确的重力坝损伤部位快速识别方法，从而在事故发生前，特别是损伤产生不久时检测到损伤的位置。以便在工程上采取适当措施对重力坝予以修复、加固，防止损伤的积累和加剧，保证大坝的安全运行，避免事故的发生。现有的大坝损伤检测方法主要有大坝安全监测和无损检测方法。现有的大坝安全监测手段缺少了振动(加速度)的监测项目，而一般基于位移场、应力场和温度场等的变化，但当坝的某处出现损伤时，只在该处很小范围内出现坝体位移场、应力场和温度场的变化。如果在该范围内没有观测点，现有的监测手段则无法监测到损伤的出现。大坝无损检测主要方法有：电阻率、电磁波、探地雷达、弹性波(超声波、振动波)等。大坝无损检测技术的主要问题在于：(1)一般只能对小型结构或者结构的某些部位进行检测；(2)没有合适的规范、规程和标准可依据；(3)检测设备昂贵，检测费用较高；(4)需要临时安装仪器，而大坝很多位置不能到达，故难以实施。现有的重力坝损伤识别方法基于神经网络算法，将重力坝正常使用和受损情况下得到的参数集合作为网络的输入，以正常状态和受损状态作为网络的输出，训练该网络成为损伤的识别器。再将新一组输入参数输入网络，得到输出结果，即重力坝处于何种工作状态。但神经网络算法存在收敛速度慢，网络结构的选择依赖经验，以及不能得出适用于所有重力坝的频率特征等缺点。故提出一种实用而精确的重力坝损伤部位快速识别方法是目前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种快速经济准确、无需采用损伤探测仪且适用范围广的基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法。本专利技术基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法，包括如下步骤：(1)通过有限元或理论求解方法，得到混凝土重力坝损伤前的各阶自振频率ωi，其中i代表第i阶自振频率，i＝1,2,…,n；基于混凝土重力坝强震典型失效模式，假定损伤位于大坝强震典型失效模式下各强震典型损伤部位，计算大坝存在假定损伤时的各阶自振频率ω′i,j，其中j代表混凝土重力坝各强震典型损伤部位，其中j＝1,2,…,m；(2)利用公式计算损伤前后的各阶频率变化量；(3)求出各阶频率变化量中的最大值Δmax,j＝maxi＝1,2,…,nΔi,j，按公式对各阶频率变化量Δi,j进行归一化处理，得各强震典型损伤部位的各阶频率归一化频率变化量Ni,j，即求出了该强震典型损伤部位的频率特征Sj＝(N1,j,N2,j,…,Ni,j,…,Nn,j)；通过以上步骤，建立混凝土重力坝各强震典型损伤部位的频率特征数据库；(4)真实强震引起大坝损伤后，通过监测由泄洪或人工爆破方法引起的大坝振动，获得损伤后的各阶自振频率ω′i，并计算存在该未知损伤时的频率特征S＝(N1,N2,…,Ni,…,Nn)；(5)基于频率误差，将存在该真实损伤时的频率特征S与数据库中各强震典型损伤部位的频率特征Sj进行对比，识别损伤位置；频率误差为 e j = Σ i = 1 n ( N i - N i , j ) 2 ]]>ej越小表明存在此未知损伤时的频率特征与第j个强震典型损伤部位的频率特征越相似，即第j个强震典型损伤部位为实际损伤部位的可能性越高；若该损伤部位与各强震典型损伤部位频率误差的最小值为emin＝er，则表明第r个强震典型损伤部位为实际的损伤部位。本专利技术基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法的有益效果在于：(1)现有的损伤部位识别方法采用大坝安全监测方法或无损检测方法。大坝安全监测需要在大坝上大范围放置测点，既不经济，又很繁琐。无损检测方法一般只能对小型结构或者结构的某些部位进行检测，检测设备昂贵，检测费用较高，且需要在大坝上很多难以到达的位置临时安装仪器，难以实施。本专利技术方法无需采用损伤探测仪，无需大范围布置测点，更为高效经济，实用可靠。(2)现有的损伤部位识别方法主要基于神经网络算法，存在收敛速度慢，网络结构的选择依赖经验，不能得出适用于所有重力坝的频率特征等缺点，限制了损伤识别方法的效率和适用性。本专利技术方法操作简单、高效，能有效地反映重力坝不同损伤部位的频率特征，计算的频率特征适用于各种高度的重力坝，具有广泛的适用性。附图说明图1为本专利技术方法的流程图。图2为典型重力坝强震典型损伤部位示意图。图中，1为坝下游折坡损伤部位，2为坝踵损伤部位，3为坝上游面损伤部位(坝下游折坡高程处)。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术做进一步说明。如图1、图2所示，基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法，具体步骤如下：(1)选取典型混凝土重力坝，通过有限元或理论求解等方法，得到混凝土重力坝损伤前的各阶自振频率ωi(其中i代表第i阶自振频率，i＝1,2,…,n)；基于已有的研究成果，获得混凝土重力坝强震典型失效模式，假定损伤位于大坝强震典型失效模式下各强震典型损伤部位，如坝下游折坡部位、坝踵部位、坝上游面部位(坝下游折坡高程处)等，计算大坝存在假定损伤时的各阶自振频率ω′i,j(j＝1,2,…,m分别代表混凝土重力坝各强震典型损伤部位)。以附图2所示典型重力坝为例，先建立无损伤典型重力坝有限元模型，计算大坝无损伤时各阶自振频率。再分别在重力坝各强震典型损伤部位设置损伤，三处损伤分别位于坝下游折坡部位、坝踵部位、坝上游面部位(坝下游折坡高程处)(如附图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法，其特征在于包括如下步骤：(1)通过有限元或理论求解方法，得到混凝土重力坝损伤前的各阶自振频率ωi，其中i代表第i阶自振频率，i＝1,2,…,n；基于混凝土重力坝强震典型失效模式，假定损伤位于大坝强震典型失效模式下各强震典型损伤部位，计算大坝存在假定损伤时的各阶自振频率ω′i,j，其中j代表混凝土重力坝各强震典型损伤部位，其中j＝1,2,…,m；(2)利用公式计算损伤前后的各阶频率变化量；(3)求出各阶频率变化量中的最大值Δmax,j＝maxi＝1,2,…,nΔi,j，按公式对各阶频率变化量Δi,j进行归一化处理，得各强震典型损伤部位的各阶频率归一化频率变化量Ni,j，即求出了该强震典型损伤部位的频率特征Sj＝(N1,j,N2,j,…,Ni,j,…,Nn,j)；通过以上步骤，建立混凝土重力坝各强震典型损伤部位的频率特征数据库；(4)真实强震引起大坝损伤后，通过监测由泄洪或人工爆破方法引起的大坝振动，获得损伤后的各阶自振频率ω′i，并计算存在该未知损伤时的频率特征S＝(N1,N2,…,Ni,…,Nn)；(5)基于频率误差，将存在该真实损伤时的频率特征S与数据库中各强震典型损伤部位的频率特征Sj进行对比，识别损伤位置；频率误差为ej=Σi=1n(Ni-Ni,j)2]]>ej越小表明存在此未知损伤时的频率特征与第j个强震典型损伤部位的频率特征越相似，即第j个强震典型损伤部位为实际损伤部位的可能性越高；若该损伤部位与各强震典型损伤部位频率误差的最小值为emin＝er，则表明第r个强震典型损伤部位为实际的损伤部位。...

【技术特征摘要】
1.一种基于频率误差的混凝土重力坝强震损伤部位快速识别方法，
其特征在于包括如下步骤：
(1)通过有限元或理论求解方法，得到混凝土重力坝损伤前的各阶
自振频率ωi，其中i代表第i阶自振频率，i＝1,2,…,n；基于混凝土重力
坝强震典型失效模式，假定损伤位于大坝强震典型失效模式下各强震典型
损伤部位，计算大坝存在假定损伤时的各阶自振频率ω′i,j，其中j代表混
凝土重力坝各强震典型损伤部位，其中j＝1,2,…,m；
(2)利用公式计算损伤前后的各阶频率变化量；
(3)求出各阶频率变化量中的最大值Δmax,j＝maxi＝1,2,…,nΔi,j，按公
式对各阶频率变化量Δi,j进行归一化处理，得各强震典型损伤
部位的各阶频率归一化频率变化量Ni,j，即求出了该强震典型损伤部位的
频率特征Sj＝(N1,j,N2,j,…,Ni,j,…,Nn,j)；通过以上步骤，建立混凝土重力
坝各强震典型损伤部位的频率特征数据库；
(4)真实强震引起大坝损伤后，通过监测由泄洪或人工爆破方法引
起的大坝振动，获得损伤后的各阶自振频率ω′i，并计算存在该未知损伤时
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚尚武，王高辉，卢文波，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42