基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，属于结构健康监测领域。本发明方法包括：根据所述三层基础隔震系统的现场实际情况及理论要求，确定系统剪切方向上激励点与振动响应测量点的位置；在选定的系统测量点上布置加速度传感器，构成传感器网络；在选定的激励点上对系统进行有效激励，与此同时测量其加速度响应数据；对测得的加速度响应数据进行递推求解，获得系统实际结构参数信息，并与其完好时的参数信息相比较，计算损伤指标，完成三层基础隔震系统的快速损伤检测。相比现有技术，本发明通过较少数量的测量信息即可快速方便地实现三层基础隔震系统的定量检测。
【专利说明】基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种损伤检测方法，尤其涉及一种基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，属于结构健康检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着人们对工程结构安全可靠性能要求的不断提高，结构健康检测和诊断技术得到了迅速地发展。近年来，地震、台风和洪涝等自然灾害的发生愈加频繁，为了抵御这些自然灾害，保障人们生命财产安全，具有减隔震效果强、抗震安全性高等优势的基础隔震系统得到了广泛的应用。这种系统在低层工程结构上效果较好，而三层基础隔震系统更是主流结构之一。但是在灾害事件发生后，或者结构在长期服役的情况下，基础隔震系统可能会产生一些损伤，这可能会导致灾难事故的发生，因此，基础隔震系统的快速损伤检测得到了极大的重视。基于振动加速度响应信号的损伤检测技术是目前工程结构健康检测的研究热点，该技术通过在工程系统中布置加速度传感器网络，对系统进行激励与测量，对测得的信息进行分析处理，从而判断系统中是否存在损伤以及得到损伤的位置和程度。目前基于振动加速度响应信号的损伤检测方法主要分为两大类:第一类频域法，将时域信号转换到频域信号后，对系统进行辨识，然而，此类方法需要对一段蕴含了结构动力学特性完整信息的信号进行转换分析，即需要对信号进行分段处理，这将会导致该类方法的实时性有所欠缺，此外，频域参数受环境影响很大，如固有频率对温度较敏感，再者，为了有效地激励出较重工程结构的一些高阶频域信息，通常需要对其施加能量较大的载荷，而在工程结构损伤检测过程中，并不希望对结构施加重载；第二类时域法，直接对测量得到的时域信号进行逐点分析，实时性较好，然而，当工程结构涉及大量的自由度时，由包含大量自由度的运动方程求解结构损伤的位置和程度是很困难的。由此可见，当工程结构可以简化为自由度数目较少的系统时，时域法有着一定的优势。对于传统的结构损伤检测时域方法，所有的外部激励和所有自由度上的加速度响应信息均需测量，然而，通常实际工程结构的外部激励往往难以准确测量或无法测量。此外，某些所需测量振动响应的位置由于现场情况也难以布置传感器。再者，为了快速经济地实现结构损伤检测，人们更希望使用较少数量的传感器，在以往的损伤检测方法中，研究人员通常将传统的损伤检测技术与模型缩聚理论和子结构理论相结合以减少传感器的数量，但这个过程会引入一些不希望的系统误差。故能实际应用于结构健康监测系统的创新而有效的损伤识别方法还有待进一步发展，特别是，还存在许多挑战性的问题需要研究和解决:(i)无需测量系统的输入信息，只需测量部分的系统输出响应信息，在最小化传感器测量数量的基础上有效地检测损伤；(ii)为了保证损伤检测的稳定性，方法需要的是无条件稳定收敛的解析递归解，而不是迭代解，并对噪声具有一定的鲁棒性；(iii)损伤检测方法除了对线性系统有效外，还应能够应用于迟滞非线性系统；(iv)算法应具有较高的计算效率和精度并易于自动化实现。
[0003]为了克服现有的基于振动加速度响应信号损伤检测方法所存在的上述不足，相关学者对基于不完全测量的损伤检测技术进行了研究。例如基于不完全测量的卡尔曼滤波系统损伤检测方法，该方法可以应用于线性和迟滞非线性系统，利用部分输出响应信息计算得到系统的参数信息，然而，其求解过程中需要对非线性状态方程线性化，线性化后状态方程中待识别参数的部分极点落在虚轴上，这会导致解可能容易变得不稳定，此外由于进行了线性化处理，当初始参数估计值超出了收敛范围时，解可能会不收敛，即该方法对相关初值的选取要求较高，需要过多的人为经验干预，算法的稳定性一般。再例如基于不完全测量的序贯非线性最小二乘估计系统损伤检测方法，该方法避免了上例中的一些不足，但由于Newmark - β技术的使用，状态向量的估计精度受采样频率影响较大，使该方法在实际工程应用中受到一定限制，此外，当噪声相对较大时所估计的状态量会产生难以在线消除的数据漂移，这也将会影响系统参数识别结果的精度。实际上，对于结构损伤检测来说，不仅要解决以上所有问题，确定结构是否存在损伤及损伤的位置，还需对损伤的程度进行精确的定量分析。
[0004]因此，有必要寻找一种简单快捷的基础隔震系统损伤定量检测方法。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，通过简单的系统激励和测量，对测量得到的有限数量的输出响应信息进行数据处理，进而快速方便地实现三层基础隔震系统损伤的定量检测。
[0006]本发明采用以下技术方案解决上述技术问题:
[0007]—种基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，该方法包括以下步骤:
[0008]步骤Α、根据三层 基础隔震系统的现场实际情况及理论要求，确定系统剪切方向上激励点与振动响应测量点的位置；
[0009]步骤B、在选定系统测量点的剪切方向上布置加速度传感器，构成传感器网络；
[0010]步骤C、在选定的激励点上对系统进行有效激励，与此同时测量其加速度响应数据；
[0011]步骤D、对步骤C所测得的加速度响应数据进行以下处理:
[0012]步骤D1、依据激励点与测量点的布置方案，建立相对应的三层基础隔震系统理论模型；
[0013]三层基础隔震系统的基本运动方程如下:
[0014]
【权利要求】
1.一种基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤A、根据三层基础隔震系统的现场实际情况及理论要求，确定系统剪切方向上激励点与振动响应测量点的位置； 步骤B、在选定系统测量点的剪切方向上布置加速度传感器，构成传感器网络； 步骤C、在选定的激励点上对系统进行有效激励，与此同时测量其加速度响应数据； 步骤D、对步骤C所测得的加速度响应数据进行以下处理: 步骤D1、依据激励点与测量点的布置方案，建立相对应的三层基础隔震系统理论模型； 三层基础隔震系统的基本运动方程如下:
2.根据权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤A中所述的激励点与振动响应测量点位置的选取是在基于损伤检测方法理论要求所建立的5种激励与测量方案中挑选，依据三层基础隔震系统的现场实际情况确定应用方案。
3.根据权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤B中所述的传感器网络为一种用于系统快速损伤检测的临时安装的传感器网络或者为一种用于系统持续健康监测的长期安装的传感器网络。
4.根据权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤C中所述的有效激励的时间应持续不小于5秒、激励大小不小于可激励出系统前4阶模态的激励强度，测量加速度响应信息的采样频率应不小于500Hz，同时信噪比应不小于5。
5.根据权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤Dl中所述的三层基础隔震系统的基本运动方程，应根据5种激励与测量方案和算法运动方程形式进行改写，并基于瞬时刚度阻尼理论改进方程进行简化，得出最终可用于算法的系统理论模型。
6.如权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤D2中所述的X和Y的初值为O，Z的初值由人为估计给出。
7.如权利要求1所述基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法，其特征在于:步骤E中所述的三层基础隔震系统在完好状态下的参数信息由系统在无损时用本发明基于不完全测量的三层基础隔震系统快速损伤检测方法计算获得，或者从系统的设计方案中查 得。
【文档编号】G01M7/02GK103528778SQ201310472905
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】穆腾飞, 周丽, 李扬 申请人:南京航空航天大学