一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法技术

本发明专利技术属于工程结构损伤识别技术领域，具体涉及一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，包括以下步骤：步骤一、在结构表面沿同一方向均匀布设测点，同时在结构表面固定一个传感器和另外一个可以移动传感器，或者在结构表面某相邻两个测点布设可移动传感器；步骤二、将固定传感器和移动传感器，或者两个可移动传感器同时采集信号，并沿着结构表面移动可移动传感器依次同步采集各个不同位置测点和固定位置测点的加速度信号，获取每个测点的加速度响应；步骤三、对得到的响应信号滤波得到结构第n阶振型分量，通过将结构不同位置测点处结构第n阶的振型分量相同时刻信号进行比值，得到结构不同位置模态振型比值；步骤四、通过获得的结构不同位置模态振型比值结合各种聚类方式得到结构相应的模态振型。方式得到结构相应的模态振型。方式得到结构相应的模态振型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法


[0001]本专利技术属于工程结构损伤识别
，具体涉及一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法。

技术介绍

[0002]土木工程结构在服役期间会受到环境作用和动静荷载作用而产生振动响应，结构的振动问题是由输入(外部激励)、系统(结构)和输出(振动响应)三个部分组成。模态识别，属于结构振动问题中的逆问题，是在系统未知的情况下，通过输入、输出信号来推断系统的具体情形。结构健康监测所要做的也是一个逆问题，即利用监测数据，通过合适的模态识别方法，最终推断出结构的具体状况。在土木工程结构健康监测中，尤其是大型复杂结构，外部的环境作用和动静荷载激励常常是未知的，往往只能够利用结构的振动响应数据来推断结构的具体状况。且土木工程结构进行正常使用状态下，受到环境激励和动静荷载作用，能够激发出相应模态阶次的振动，无需再花费更多的经济成本和技术成本进行人工激励。模态识别方法，可以在只有结构振动响应数据、没有外部激励数据的情形下，获取结构的固有频率、阻尼比、模态振型和模态坐标这类动力特性参数。经过多年的研究，出现了许多的模态识别方法：频域分解法、随机子空间方法、希尔伯特－黄变换法、时间序列法、基于盲源分离理论的模态识别方法和基于贝叶斯理论的模态分析方法等等。使用模态识别方法来推断结构损伤状态，无需中断结构的正常使用过程，这使得在正常使用状态过程中对土木工程结构进行状态评估成为了可能，对于结构的损伤评估判定具有很好的研究意义和工程价值。
[0003]然而，以上现有技术中的，频域分解法在理论研究方面不够完善，且阻尼识别需进行反傅立叶变换，在时域内通过指数衰减法来实现，受截断误差的影响，精度不高，随机子空间方法随机子空间算法计算速度慢，耗时长，对硬件要求比较高，不具备简洁的显示表达式。希尔伯特－黄变换法需要复杂的递回，运算时间反而比短时距傅立叶变换要长，无法使用快速傅立叶变换，只有在特例(组合较简单的资料)时使用希尔伯特
‑
黄转换较快，且不具备简洁的显示表达式。时间序列法和盲源分离也存在运算时间较长，不具备一个简洁的显示表达式。
[0004]综上可知，现行的结构模态识别方法大多存在效率较低，适用范围小，且不具备一个与模态相关的简洁的显示表达式的严重问题，从而进一步严重影响结构损伤识别的精度和效率。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术提供了一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，本方法能够极大地改善信号采样数量，减少信号采样点数，并需要少量传感器便可获得桥梁的模态，同时采用该理论，结构所有测点的模态信息都能被采用，从而得到一个多点全分辨率的模态振型，极大地提高结构模态振型识别的效率，并进一步提高结
构损伤识别效率。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一、在结构表面沿同一方向均匀布设测点，同时在结构表面固定一个传感器和另外一个可以移动传感器，或者在结构表面某相邻两个测点布设可移动传感器(针对桥梁可以是将传感器放置到移动车辆，针对其他结构形式可人挪动，也可通过放置到机械设备移动)；
[0009]步骤二、将固定传感器和移动传感器，或者两个可移动传感器同时采集信号，并沿着结构表面移动可移动传感器依次同步采集各个不同位置测点和固定位置测点的加速度信号，获取每个测点的加速度响应；
[0010]步骤三、对得到的响应信号滤波得到结构第n阶振型分量，通过将结构不同位置测点处结构第n阶的振型分量相同时刻信号进行比值，得到结构不同位置模态振型比值；
[0011]步骤四、通过获得的结构不同位置模态振型比值结合各种聚类方式得到结构相应的模态振型；
[0012]步骤五、对所得结构第n阶频率及模态，采用改进的直接刚度法进行刚度反演，以识别各单元节点的截面弯曲刚度。
[0013]进一步，所述步骤一和步骤二中，采用固定传感器和移动传感器的采集方式进行说明，在结构表面固定一个传感器和移动另外一个传感器，结构的运动方程可表示为：
[0014][0015]式中：M、C、K分别为结构的质量、阻尼、刚度矩阵，v(t)分别为结构测点组成的加速度、速度、位移响应向量，P(t)为外部荷载列向量；
[0016]Rayleigh阻尼假设条件下，式(1)利用振型正交性并解耦可得结构振型反应的运动方程：
[0017][0018]其中φ
n
为第n阶的振型向量，Y
n(t)
是第n阶的振型幅值的广义坐标。
[0019]进一步，所述步骤三和步骤四中经过滤第n阶信号处理后，得到关于第n阶信号的振型分量，v
n
＝φ
n
Y
n(t)
，对结构第n阶振型分量中的两个不同位置相同时刻的响应信号进行比值，即可得到两位置的模态振型比值其中v
n1
和v
n2
表示结构第n阶测点1和测点2的振型分量响应，φ
n1
和φ
n2
结构第n阶测点1和测点2的振型；按照上述方式，将其他不同位置点的第n阶振型分量与某一固定测点的第n阶振型分量进行比较可以得到其他不同位置测点与某一固定测点的模态振型之比；将所有得到所有位置的模态振型值进行归一化，即可得到结构模态。
[0020]进一步，所述的传感器数量至少为两个，其中至少1个固定传感器和1个移动传感器。
[0021]进一步，步骤三中需要将采集的加速度响应滤波后只包含结构的第n阶竖向加速度振型分量响应；
[0022]由结构动力学中振型叠加法知识可知，一个结构任何方向位移向量均可由叠加第n阶振型分量的和求得，结构的总位移为其中φ
n
为第n阶的振型向量，Y
n(t)
是第n阶的振型幅值的广义坐标，一个关于时间的函数，v
n
为结构的第n阶的振型分量，并且每个v
n
都可以由第n阶的振型向量φ
n
乘以第n阶频率阶数的振型幅值广义坐标Y
n(t)
得到，即v
n
＝φ
n
Y
n(t)
。同时，以第1阶振型分量为例，对于不同的位置(n＝1,2)的两个振型分量有如下关系：其中，v
11
表示位置1的第1阶振型分量，v
21
表示位置2的第1阶振型分量，φ
11
表示为位置1的一阶振型值，φ
12
表示为位置2的第1阶振型值，Y
1(t)
表示为第1阶振型幅值的广义坐标。由表达式可知当时刻相同时，结构两个不同位置的振型分量之比为该两个位置的结构振型之比，即
[0023]因此从上述理论可知，我们可以通过将获得的不同位置的信号做滤波处理得到第n阶的振型分量，对相同时刻不同位置测点的振型分量与固定位置测点的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在结构表面沿同一方向均匀布设测点，同时在结构表面某一测点固定一个传感器和另外一个可以移动传感器，或者在结构表面某相邻两个测点布设可移动传感器；步骤二、将固定传感器和移动传感器或者两个可移动传感器同时采集信号，并沿着结构表面移动可移动传感器依次同步采集各个不同位置测点和固定位置测点的加速度信号，获取每个测点的加速度响应；步骤三、对得到的响应信号滤波得到结构第n阶振型分量，通过将结构不同位置测点处结构第n阶的振型分量相同时刻信号进行比值，得到结构不同位置模态振型比值；步骤四、通过获得的结构不同位置模态振型比值结合各种聚类方式得到结构相应的模态振型；步骤五、对所得结构第n阶频率及模态，采用改进的直接刚度法进行刚度反演，以识别各单元节点的截面弯曲刚度。2.根据权利要求1所述的一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，采用固定传感器和移动传感器的采集方式进行说明，在结构表面固定一个传感器和依次移动另外一个传感器，结构的运动方程可表示为：式中：M、C、K分别为结构的质量、阻尼、刚度矩阵，v(t)分别为结构测点组成的加速度、速度、位移响应向量，P(t)为外部荷载列向量；Rayleigh阻尼假设条件下，式(1)利用振型正交性并解耦可得结构振型反应的运动方程：其中φ
n
为第n阶数的振型向量，n＝1,2,3
…
n，Y
n(t)
是第n阶数的振型幅值的广义坐标。3.根据权利要求1所述的一种基于时序同步理论识别结构损伤的方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中经过滤第n阶频率信号处理后，得到关于第n阶振型分量，v

【专利技术属性】
技术研发人员：阳洋，许文明，王者伟，钟佳，亢秀山，李浩弘，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：