专利名称：：一种剪切型框架结构损伤识别方法
技术领域：
：本发明属于建筑框架结构检测技术，具体涉及一种剪切型框架结构损伤识别方法。
背景技术：
：土木工程结构的安全直接关系到人民生命财产的安全，工程失效会造成灾难性的后果。以桥梁为例，早在1967年12月，西弗吉尼亚州的锡尔弗(Silver)桥垮塌，导致46人丧生；美国的塔科玛海峡大桥，我国重庆市綦江县的彩虹桥，台湾省连接高雄与屏东重要通道上的高屏大桥，都发生了突然断裂事件，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。及时监测结构健康状况，对结构早期损伤进行维修，不仅能够显著降低维护费用，而且能够保证结构性能，延长结构寿命。传统的损伤检测方法有外观目测法和基于仪器设备的局部损伤检测方法，如超声检测等。外观目测的检测结果与检测人员的水平和经验密切相关，而且只能发现外部损伤，结构的内部损伤无法检测。超声法是应用最广泛的局部无损检测方法，超声波可以检测由于材料属性和裂缝引起的材料阻抗的变化。超声法的主要优点是可以检测远离结构表面的内部裂缝，并且确定裂缝位置。上述损伤检测方法均需要预先大致了解损伤的位置，并且结构中这些位置易于接近，检测所需的周期长，检测费用昂贵，会引起结构使用的中断，因此在实际工程中应用受到了限制。由于结构的振动特性(如时程响应、频率响应函数、固有频率、振型等)是结构物理参数(如刚度、质量、阻尼等)的函数，结构损伤即意味着结构物理参数的改变，而物理参数的改变必然引起结构振动特性的改变。通过安装在结构上的传感设备，对结构的振动进行实时监测，可以获得结构不同阶段的振动特性；对结构振动特性的变化进行分析及处理，有可能获得结构物理参数的变化情况，从而达到损伤检测的目的。利用结构的动力测试信号进行损伤检测能够获得结构的整体损伤状况，检测费用低，不需要中断结构的使用，相对于传统的损伤检测方法具有很大的优越性。Doebling等在"Asummaryreviewofvibration-baseddamageidentificationmethods(TheShockandVibrationDigest,1998,30(2):91-105)，，一文中对基于动态测试数据的结构损伤检测方法作了详尽的总结。结构的动态测试数据可分为三类时域数据、频域数据和模态数据。时域测试数据包括时程响应和脉冲响应函数。频域测试数据包括傅立叶谱和频率响应函数，固有频率、振型和模态阻尼比是三个典型的模态参数，这些参数能够从测得的频率响应函数中提取。利用模态数据进行结构的损伤检测是运用最为广泛的方法，选择适当的模态数据或其导出值对于损伤检测的难易程度、损伤检测结果的正确性等具有至关重要的影响。常用的结构模态信息有固有频率、振型以及它们的导出量，如模态保证准则、坐标模态保证准则、振型曲率、柔度矩阵等等。文献"基于振型变化的框架结构破损评估(重庆建筑大学学报，1998,20(6):7982)"介绍了一种剪切型框架结构的损伤识别方法，即通过建立反映结构振型变化与结构层间刚度变化间的灵敏度矩阵，来求解框架结构的层间刚度损失。该方法首先需要求解灵敏度矩阵，然后对灵敏度矩阵求逆矩阵，最后用灵敏度逆矩阵与振型变化向量的乘积求解结构层间刚度损失。由于灵敏度矩阵只是振型变化与层间刚度损失的一阶近似反映以及实际检测中存在的测试误差，使得所建立的振型变化与层间刚度损失之间的方程组很可能为病态方程组，从而最终所得到的层间刚度损失与实际情况相差较大。
发明内容本发明的目的在于提供一种剪切型框架结构损伤识别方法，该方法检测所需的数据量少，效率高，并具有较高的精度。本发明提供的剪切型框架结构损伤识别方法，其步骤包括(1)在结构每层安装加速度传感器，在外激励作用下，分别测试结构在完好状态和损伤状态的时程响应，然后提取结构的一阶振型，并将振型对质量矩阵标准化，即《竭=1A表示结构的一阶振型，《表示结构一阶振型的转置，M为结构的质量矩阵。下面步骤中所提到的振型均为对质量矩阵标准化振型；(2)计算结构各层一阶振型斜率的改变A《，'^表示第1阶振型的第7层振型斜率，A《为损伤前、后第7层在第1阶振型的振型斜率的变化量，(为第l阶振型的第y层振型位移，A(为损伤前、后第y层在第i阶振型的振型位移的变化量，、为第/层的层高，7V为结构总层数；，(3)建立未损伤结构的数值模型，进行模态分析，获取结构未损伤状态下的各阶圆频率和振型；(4)利用下式计算一阶振型斜率对层间刚度的敏感性系数《1「《d《，=欲，欲，式中《，,表示第1阶振型的第7层振型斜率对第,层刚度的敏感性，*,表示第f层的层间刚度，Z表示结构的层序号，M/^表示第l阶振型的第/层振型位移对第^层刚度的敏感性，其值由下式计算M=f~，其中々,=仏—'('-'))仏—欲，台'''《,2-w,2M/汰,是第1阶振型对第,层刚度的敏感性，M,/欲,为^/汰,^第■/个分量，A和",分别为结构第l阶和第z'阶圆频率；当/=1时况,<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>当7=1时<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(5)首先找出一阶振型斜率改变A《为正的层，设总共有wl层一阶振型斜率变化为正，用"表示这些一阶振型斜率变化为正的层号，记这些层的一阶振型斜率变化为CfJ°，表示由测试数据得到的初始一阶振型斜率改变值；然后，由下列公式分别计算各一阶振型斜率变化为正的层引起的其他层的一阶振型斜率变化量式中c^'表示由于第j层损伤引起的第y层一阶振型斜率改变第1次修正值，将所有一阶振型斜率变化为正的层引起的第7'层一阶振型斜率修正值《:？反号叠加到第/层的原一阶振型斜率改变值上，即c^、q^-ZcS1,7=1,2,…,iv,片"；式中《:r表示经过第1次修正后的第7层一阶振型斜率改变值；(6)以修正后的各层一阶振型斜率改变值为基础，重复步骤(5)，进行下一次循环的计算，得到经过第2次修正后的第J'层一阶振型斜率改变值《，，不断循环计算，直到修正后的最小一阶振型斜率改变值大于阈值L时循环终止，L为负值，其绝对值等于初始最大一阶振型斜率改变值的1%~10%;再利用最终得到的一阶振型斜率改变值，进行损伤位置判别一阶振型斜率改变值大于0的层为损伤层；(7)假设各层分别发生不同程度的损伤，建立相应的单损伤工况数值模型，进行模态分析，获取结构各种单损伤工况下的一阶振型；(8)比较结构在未损伤工况和各种单损伤工况下的一阶振型，计算得到损伤层的一阶振型斜率改变量，建立在各种单损伤工况下损伤层一阶振型斜率改变量与损伤程度的对应关系；(9)通过比较修正后的损伤层一阶振型斜率改变量和数值模拟的各种单损伤工况下的一阶振型斜率改变量，插值得到损伤层的损伤程度。本发明利用结构低阶模态参数的变化进行框架柱损伤的检测。具体地说，是利用剪切型框架结构损伤前后修正一阶振型斜率的变化，来判别哪一层或哪几层发生了损伤以及损伤层的损伤程度。本发明损伤检测方法的显著优点是仅仅需要测试框架结构的一阶振型，通过结构损伤前后的一阶振型斜率改变来识别损伤，这符合往往只能得到结构低阶模态参数的实际工程情况。检测所需的数据量少，效率高，具有较高的精度。在具体实施方式部分将结合实例作进一步说明。图1为本发明实例的三层试验框架模型示意图，其中(a)为三层框架平面图，(b)为三层框架立面图2为结构模型各工况下一阶振型示意图3为工况1一阶振型斜率差修正迭代过程示意图，其中(a)为损伤层一阶振型斜率迭代过程图，(b)为未损伤层一阶振型斜率迭代过程图4为工况2—阶振型斜率差修正迭代过程示意图，其中(a)为损伤层一阶振型斜率迭代过程图，(b)为未损伤层一阶振型斜率迭代过程图5为工况3—阶振型斜率修正迭代过程示意图，其中(a)为损伤层一阶振型斜率迭代过程图，(b)为未损伤层一阶振型斜率迭代过程图6为工况4一阶振型斜率修正迭代过程示意图，其中(a)为损伤层一阶振型斜率迭代过程图，(b)为未损伤层一阶振型斜率迭代过程图。具体实施例方式研究表明，结构高阶模态参数对结构损伤比低阶模态参数敏感，但是，结构高阶模态参数往往难以获得或难以准确获得。因此，利用能够较准确获得的结构低阶模态参数进行结构损伤识别具有重要意义。框架结构是一种广泛使用的结构形式，框架柱是框架结构中重要的结构构件。剪切型框架的结构特性可通过每个楼层的质量和各层的层间刚度来描述。通常，损伤不会造成结构质量的改变，而仅仅表现为结构的刚度损失。结构刚度的改变会造成结构固有频率和振型发生变化，振型变化会导致结构振型斜率发生变化。结合结构模态参数的敏感性分析，本方法通过测试结构损伤前后的一阶振型斜率的改变，识别结构损伤层的位置以及损伤层的损伤程度。本发明中振型斜率定义为j_A—d)^'一~~^~~〃乂式中《表示第7层在第/振型中的振型斜率，&表示第/层在第/振型中的振型位移，为第y层层高。z'表示振型阶数序号，y表示结构的层序号。外激励作用可以是环境激励或施加主动激励，通常采用有限元模型建立结构的数值模型。实例-以图1的试验模型为对象，描述损伤识别方法的实施过程。试验框架模型采用三块850mmx500mmx25mm的钢板和四根等截面9.5mmx75mm框架柱组成，柱和板保持刚性连接，在每层楼板上设有135kg的附加质量块(图中标识l)。框架模型焊接在一块20mm厚的钢底板上，框架底板用8根高强螺栓固定在振动台上。框架柱钢材的弹性模量为200GPa，屈服强度为435MPa。框架楼板的厚度25mm远大于框架柱的厚度7.5mm，可以认为楼板在框架发生水平位移时不产生转动。因此可将框架结构简化为具有三个集中质量的葫芦串模型，在集中质量处只有水平位移，不发生转动。表1框架模型各种工况层间刚度损失损伤工况l损伤工况2损伤工况3损伤工况4楼层损伤(％)楼层损伤(％)楼层损伤(％)楼层损伤(％)1-11.61-21.11-21.11-21.120202-11.62-21.1为获得该框架模型的动态参数，在3mx3m的MTS振动台上对框架模型进行振动试验。振动台在x方向产生频率范围为130Hz的白噪声，为限制框架的响应在线弹性范围内，激励的峰值加速度取为0.05g，持续时间为180秒。在每层楼板处设置一个B&K4370加速度计(图中标识2)用来测量x方向的加速度，加速度计测得的信号通过B&K2635进行信号调制并以300Hz采样。随后通过丹麦StructuralVibrationSolutions开发的商业计算机软件ARTeMIS用频域分解法对获得的数字信号进行分析，得到框架模型在未损伤状态下的固有频率和振型。然后对框架柱切割使其发生损伤，模型的各种损伤工况见表1。重复上述过程，得到各损伤工况下的结构模态参数。结构模型在未损伤工况和各损伤工况下的振型见图2。由测量数据得到的各种损伤工况下的一阶振型斜率变化见表2。由表2数据可见，对于单损伤的情况(工况1和工况2)，第1层的一阶振型斜率改变大于0，由一阶振型斜率的变化可直接判别损伤位置。但是，对于多损伤工况(工况3和工况4)，损伤发生在第1层和第2层，由于振型斜率变化相互影响的原因，仅仅只有第1层的一阶振型斜率改变大于0，无法识别出第2层发生了损伤，需要对一阶振型斜率改变值进行修正。各种损伤工况的修正过程见图3~图6，迭代终止的条件设为各层修正一阶振型斜率改变值的最小值大于-lxl0一4。表2各种损伤工况一阶振型斜率改变<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由图3和图4可见，在单损伤的情况下，迭代过程收敛很快，损伤工况1和损伤工况2分别经过1次和2次迭代就已经收敛。由图5和图6可见，在多损伤情况下，达到收敛目标的迭代次数明显增多，损伤工况3和损伤工况4分别经过16次和18次迭代才收敛，反映了多损伤情况下振型斜率变化的相互影响。不论是单损伤还是多损伤工况，由最终的迭代结果都能够正确判别损伤位置工况1和工况2下结构第1层发生了损伤，工况3和工况4下结构第1层和第2层发生了损伤。表3单损伤工况不同程度损伤下的损伤层一阶振型斜率改变<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>通过损伤位置的识别过程，未损伤层的修正一阶振型斜率改变收敛于o，而损伤层的修正一阶振型斜率改变收敛于某一正值，该值的大小与损伤程度有关。假设结构模型各层分别发生程度为5%、10%、15%、20%、25%、30%的层间刚度损失，建立相应的有限元模型，计算得到在各种单损伤工况下的模型各层一阶振型斜率改变(表3)。由测量得到的结构在实际损伤工况下的修正一阶振型斜率改变值进行线性插值，反算得到结构的刚度损失(表4)。由表4可见，各种损伤程度的识别误差在5%以内，能够满足实际工程检测的要求。表4各工况修正一阶振型斜率改变(Cw)、反推刚度损失(《)与误差<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>注表中"^"表示该层由损伤位置识别过程识别出未发生损伤，故不需进行损伤程度识别。权利要求1、一种剪切型框架结构损伤识别方法，其步骤包括(1)在结构每层安装加速度传感器，在外激励作用下，分别测试结构在完好状态和损伤状态的时程响应，然后提取结构的一阶振型，并将振型对质量矩阵标准化，即《M^=1A表示结构的一阶振型，《表示结构一阶振型的转置，M为结构的质量矩阵。下面步骤中所提到的振型均为对质量矩阵标准化振型；(2)计算结构各层一阶振型斜率的改变A《，^表示第l阶振型的第/层振型斜率，A《为损伤前、后第J层在第1阶振型的振型斜率的变化量，4,为第1阶振型的第7'层振型位移，A&为损伤前、后第7'层在第1阶振型的振型位移的变化量，、为第7'层的层高，7V为结构总层数；(3)建立未损伤结构的数值模型，进行的模态分析，获取结构未损伤状态下的各阶圆频率和振型；(4)利用下式计算一阶振型斜率对层间刚度的敏感性系数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>式中《，,表示第l阶振型的第7层振型斜率对第/层刚度的敏感性，^表示第^层的层间刚度，^表示结构的层序号，M,/^,表示第l阶振型的第7'层振型位移对第,层刚度的敏感性，其值由下式计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>M/汲,是第1阶振型对第Z层刚度的敏感性，M,/W为M/汰(的第/个分当/=1时<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>当/=1时<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>(5)首先找出一阶振型斜率改变A《为正的层，设总共有附l层一阶振型斜率变化为正，用c/表示这些一阶振型斜率变化为正的层号，记这些层的一阶振型斜率变化为cjr，表示由测试数据得到的初始一阶振型斜率改变值；然后，由下列公式分别计算各一阶振型斜率变化为正的层引起的其他层的一阶振型斜率变化量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中《'？表示由于第"层损伤引起的第y层一阶振型斜率改变第1次修正值，将所有一阶振型斜率变化为正的层引起的第y层一阶振型斜率修正值c^'反号叠加到第y层的原一阶振型斜率改变值上，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中O'表示经过第1次修正后的第7'层一阶振型斜率改变值；(6)以修正后的各层一阶振型斜率改变值为基础，重复步骤(5)，进行下一次循环的计算，得到经过第2次修正后的第7'层一阶振型斜率改变值《，，不断循环计算，直到修正后的最小一阶振型斜率改变值大于阈值L时循环终止，L为负值，其绝对值等于初始最大一阶振型斜率改变值的5%~10%;再利用最终得到的一阶振型斜率改变值，进行损伤位置判别一阶振型斜率改变值大于0的层为损伤层；(7)假设各层分别发生不同程度的损伤，建立相应的单损伤工况数值模型，进行模态分析，获取结构各种单损伤工况下的一阶振型；(8)比较结构在未损伤工况和各种单损伤工况下的一阶振型，计算得到损伤层的一阶振型斜率改变量，建立在各种单损伤工况下损伤层一阶振型斜率改变量与损伤程度的对应关系；(9)通过比较修正后的一阶振型斜率改变量和数值模拟的各种单损伤工况下的一阶振型斜率改变量，插值得到损伤层的损伤程度。全文摘要本发明提出了一种剪切型框架结构损伤识别方法。首先，测试结构的动态响应，获取结构在完好状态和损伤状态的一阶振型斜率，计算出损伤造成的初始一阶振型斜率改变。然后，建立结构的数值模型，分析结构的各阶模态参数，利用模态参数计算一阶振型斜率对损伤的敏感系数。最后，结合敏感性分析结果，对结构初始一阶振型斜率改变进行修正，由修正后的一阶振型斜率改变识别损伤位置和损伤程度。即修正后一阶振型斜率改变大于零的层为损伤层，修正后一阶振型斜率改变的大小反映了该层的损伤程度。该方法通过一个三层的剪切型框架模型实验得到了验证。通过本发明，能够仅仅利用结构一阶振型斜率来识别损伤，具有较强的实用性。文档编号G06F17/00GK101122583SQ20071005315公开日2008年2月13日申请日期2007年9月6日优先权日2007年9月6日发明者朱宏平,林李,王丹生,欢陈,陈晓强申请人:华中科技大学