基于附加质量的桁架结构损伤定位方法

文档序号:6024838阅读:223来源:国知局
专利名称:基于附加质量的桁架结构损伤定位方法
基于附加质量的桁架结构损伤定位方法技术领域
本发明属于质量结构监测技术领域,涉及一种适于应用在桁架结构损伤定位的方法,具体的说是通过比较对附加质量后各杆件在局部激励下频率响应峰值位置来判断杆件损伤的方法。
背景技术
结构健康监测(SHM)是土木工程中的研究热点,损伤识别为结构的监测、预警和安全评定提供可靠的理论依据,是结构健康监测的重要理论基础部分。桁架结构受力合理, 计算分析简单,施工方便,适应性强,是土木工程领域很重要的结构形式之一。桁架结构往往由成百上千的杆件组成,每个杆件的变化或者损伤对整体桁架结构的动态信息影响都很小。模态是结构最基本的动态信息,所以基于模态特别是频率信息的识别被广泛应用于土木结构的损伤识别中,然而实际工程中能够识别出来的模态往往是少数几阶模态,而且对局部的损伤不敏感,一般这些数据量还不足以准确识别桁架结构整体的所有构件损伤。损伤定位向量(Damage Location Vector, DLV)通过损伤前后柔度差的奇异值分解确定损伤杆件的位置。虚拟变形法(Virtual Distortion Method,VDM)利用其结构快速重分析的思想,利用虚拟变形模拟结构的损伤,由实测时域响应和理论模型响应的平方距离建立目标函数,通过优化结构的方式识损伤。然而无论是基于频率、DLV或VDM方法,都需要在桁架结构上布置较多的传感器,这使其在实际工程中的应用受到一定的限制。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单的基于附加质量的桁架结构损伤定位方法。
桁架由大量杆件组成,将杆件长度和截面相同的杆件划分为一类。对一类杆件上附加相同的质量,采用移动质量块和传感器的方式对这类杆件逐个进行附加质量后的局部动力测试与分析,并将获得的所有频域响应画在一张图上,比较杆件频域响应峰值的位置。 因为这些杆件的长度、截面和附加的质量相同,所以这些杆件频域响应的峰值位置应该很接近。如果某些杆件峰值所对应的位置小于或偏移了平均峰值对应的频率,那就表明这个杆件发生损伤了,从而定位损伤杆件的位置。具体方案如下
一种基于附加质量块的桁架结构损伤定位方法,在桁架结构的杆件中间附加质量块;质量块可以通过夹具和螺栓固定在杆件上;传感器布置在杆件的中间位置,传感器的类型选择动态应变片或者加速度传感器等都可以。利用小锤敲击杆件中间位置,测量传感器的响应,并计算频率响应,频率响应的主要峰值位置所对应的频率直接体现了杆件的刚度,频率越大刚度越大。然后移动质量块和传感器到桁架其他杆件的中间位置,采用逐个杆件测试的方式,测量和计算桁架所有杆件的频率响应;12EI…
m= 9 (2)^ I fm
其中m为附加质量块、夹具和螺栓的质量和,E为杆件弹性模量,惯性矩为I,1为杆件长度,fffl为所期望达到的杆件频率。
本发明的有益效果是利用桁架结构杆件质量轻刚度的特点,通过附加质量可降低频率的思想,只利用一个质量和一个传感器,对每个杆件上进行附加质量后局部动力测试与分析,然后通过比较相似杆件频域响应的峰值来判断损伤杆件的位置,克服了桁架整体监测方法的不足。本发明试验成本低廉,操作方便,容易实施,而且数据处理方法简单,具有广阔的应用前景和实用价值。


图1是在本发明在杆件中间附加质量的方法。
图加是附加质量连接件局部放大图的正视图
图2b是附加质量连接件局部放大图的侧视图
图3是介绍传感器布置和激励方式。
图4是三跨桁架示意图
图5不附加质量时杆件11 (杆件d)的频率响应。
图6是附加质量m = 0. 2kg时杆件11 (杆件d)的频率响应。
图7是附加质量m = 0. 2kg时11个杆的频率响应
图8是桁架结构的11个杆件的损伤因子。
图9是损伤桁架杆件附加质量后的频率响应。
图中1杆件;2质量块;3连接件;4杆件结点;5夹具;6螺栓;6质量块;7传感器; 8小锤;9杆件a ; 10杆件b ; 11杆件c ; 12杆件d ; 13杆件e ; 14杆件f ; 15杆件g ; 16杆件 h;17杆件i ;18杆件j ;19杆件k。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
以图4中三跨桁架为例进行介绍本实施方式,杆件编号见图4,各杆件长度相同均为lm,杆件的外径为5cm,厚度为3mm,弹性模量E为2X1011,密度为7. 83 X lO^kg/m3,结点质量为0. 5kgo质量块2选用铁块,将两个夹具5通过螺栓6夹紧杆件,然后将质量块2利用通过螺栓固定在连接件上。
当不在杆件上附加质量(即m = 0)时,直接在杆件12(杆件d)的中间施加竖向单位脉冲,对应中点的频率响应为图5,由于杆件刚度重量轻,其频域响应峰值所对应频率很高,为5914Hz。根据采样定理,为了能够准确的识别这个频率,要求采样频率至少在 12000Hz以上,这对传感器以及数据采集设备的要求都非常高,在实际工程中是不容易达到的。
杆件的跨中刚度为48EI/13,其中杆件弹性模量为E,惯性矩为I,杆件长度为1。如果跨中附加质量为m,忽略杆件的质量,则杆件的频率ω可以由公式(1)近似计算,那么由此可以推出附加质量的近似表达公式O)。附加的质量m为质量块、夹具和螺栓的质量总和。一般实际工程的采样频率在1000Hz左右,则期望杆件的频率能在fm = 400Hz左右,由公式(2)可计算出附加质量m月为0. 187kgo那么在杆件4的中间附加质量m = 0. ^g,利用桁架结构计算出频率响应见图6,其峰值所对应频率为378Hz。
48£/Μ、⑴
12ΕΙ ^ I fm
将m = 0. 2kg分别布置在桁架的所有11个杆件上,并计算对应杆件中点的频率响应,见图7,可以看出由于各个杆件的长度和截面尺寸一致,附加相同质量后其频率响应的峰值位置是非常接近的,都在380Hz左右。
当桁架发生损伤时,设杆件11 (杆件d)和杆件17 (杆件i)的刚度分别折减为原杆的40%和70%,损伤因子见图8。那么附加质量m = 0. 2kg之后对应的各个杆件频率响应为图9,杆件11 (杆件d)对应频率响应的峰值为M2. 6Hz,17(杆件i)对应的频率为 320. 1Hz,而其他杆件约为380Hz,可以很清晰的判断杆件11(杆件d)和17(杆件i)发生了损伤,而且杆4发生的损伤更大一些。
综上,利用桁架杆件轻的特点,在杆件的中间附加一定质量提高杆件的局部特性, 采用通过比较所有杆件频率响应峰值的方式可以判断杆件损伤的位置。
权利要求
1.一种基于附加质量的桁架结构损伤定位方法,其特征在于,在桁架结构的杆件中间按照公式O)附加质量块,在质量块附近布置一个传感器;采用小锤敲击杆件的中间部位, 测量局部激励下的响应,并计算杆件的频率响应;然后移动质量块和传感器到桁架其他杆件的中间位置,采用逐个杆件测试的方式,测量和计算桁架所有杆件的频率响应;将截面和长度相同的杆件作为一类杆件,联合比较这类杆件附加质量后频率响应的峰值,最大峰值位置所对应的频率体现了杆件的刚度,如果某个杆件峰值位置小于或偏移了平均峰值对应的频率,表明这个杆件发生损伤了,从而定位损伤杆件的位置;12EI…^ I fm其中m附加质量块的质量,E为杆件弹性模量,惯性矩为I,1为杆件长度,fffl为所期望达到的杆件频率。
2.一种基于附加质量的桁架结构损伤定位方法,其特征在于,传感器选择动态应变片或者加速度传感器。
3.一种基于附加质量的桁架结构损伤定位方法,其特征在于,质量块选用铁块。
全文摘要
本发明公开了一种基于附加质量的桁架结构损伤定位方法,属于结构监测技术领域。其特征是利用一个质量块和一个传感器,采用逐个杆件布置和测试的方式来定位桁架的杆件损伤。桁架中杆件的抗弯刚度要小于轴向刚度,其局部激励下的响应主要反映的是杆件信息,利用附加质量后杆件频率响应峰值位置的比较来判断杆件损伤的位置。本发明克服了桁架结构对局部损伤不敏感和杆件损伤定位的困难,实际操作简单、成本低廉和识别准确等特点,具有很好的应用前景。
文档编号G01N29/12GK102495134SQ201110405888
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者侯吉林, 喻言, 李冬生, 欧进萍 申请人:大连理工大学
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