一种评估桁架结构损伤的实时监测系统及其方法与流程

技术特征：

1.一种评估桁架结构损伤的实时监测方法，完成该方法的系统主要由安装在被监测桁架结构所有测点上的双向加速度传感器、数据采集模块、计算分析模块、损伤定位结果实时显示模块和决策模块组成；其中数据采集模块采集并存储桁架结构或其待监测子结构损伤前及待测状态下每个测点上安装的双向加速度传感器发送的双向加速度信号；计算分析模块调用结构损伤前及当前状态下所有测点的加速度信号，并采用桁架结构损伤实时监测方法进行计算；损伤定位结果实时显示模块给出损伤定位结果即结构中是否有损伤杆件并显示出损伤杆件的具体位置；决策模块对结果进行分析决策，若无损伤杆件则说明所有杆件都是安全的；若有损伤杆件，再使用无损检测物理检测方法对初判损伤的杆件进行损伤程度检测；然后根据杆件损伤的严重性做出维修或更换杆件的决策；

该评估桁架结构损伤的实时监测方法，其特征在于数据采集模块每时每刻都在采集当前结构所有测点的双向加速度信号，计算分析模块实时调用数据采集模块中存储的结构损伤前及刚刚过去的5～10分钟里所采集的双向加速度信号，每间隔5～10分钟计算一次并输出监测结果，可以实现对桁架杆件的实时损伤定位；具体步骤如下：

步骤一、测点布置：在桁架结构整体或其待监测子结构的每个节点上安装一个有线或无线的双向加速度传感器，用于环境激励下测试桁架结构纵向和竖向两个方向的加速度响应；

步骤二、环境激励下数据采集模块首先采集并存储桁架结构损伤前如结构初建成时的每个测点的双向加速度信号，供长期实时监测时调用；

步骤三、数据采集模块实时采集并存储待测状态下桁架结构每个测点的双向加速度信号；

步骤四、计算分析模块每间隔5～10分钟实时调用数据采集模块中存储的结构损伤前及刚刚过去的5～10分钟里所有测点上桁架结构纵向和竖向两个方向的双向加速度信号，并由计算分析模块基于如下步骤进行计算分析并输出监测结果：

(1)获得损伤前及待测状态下的柔度矩阵差F_Δ：将损伤前或当前状态下所有测点的加速度信号输入基于NExT-ERA法编写的模态参数识别程序中，获得模态振型及模态频率ω_i，并由如下公式获得柔度矩阵F：

其中，为第i阶质量归一化的模态振型，ω_i为第i阶模态频率；无损状态和待测状态下的柔度矩阵分别标记为F_U和F_D，得到柔度矩阵差F_Δ：

F_Δ＝F_U-F_D (2)

(2)对F_Δ进行QR分解，

公式(3)在MATLAB中使用qr命令来实现即[Q,R]＝qr(F_Δ)；分解后采用colamd命令使得Q的零空间向量列位于末尾列获得列向量排序：

paixu＝colamd(F_Δ) (4)

[Qs,Rs]＝qr(F_Δ(paixu,paixu)) (5)

(3)计算Rs的每一行的2范数ε_k＝||Rs(k,:)||，MATLAB中用norm命令来表示，其中ε_k是奇异值，Rs(k,:)是Rs的第k行；

(4)定义P＝0.5×{小于等于0.1的α的个数并向下取整，P为损伤定位向量的列数；其中ε_k是第k个奇异值，ε_k,max是各个奇异值中的最大值；

(5)在MATLAB中定义QR-DLV向量为Q(paixu,end-p+1:end)，联合P个QR-DLV向量进行损伤定位：获得损伤定位向量后，将每个QR-DLV向量作为荷载施加到无损结构有限元模型上，求得各单元的累积应力即为单元j的特征应力σ_j，

σ j = Σ p = 1 P | σ p j σ p j , m a x | - - - ( 6 ) ]]>

其中σ_pj是第p个QR-DLV向量在桁架杆件j上产生的应力，j为桁架杆编号；

(6)将归一化累积应力NSI_j符合下式的杆件确定为损伤杆件，

NSI j = σ j σ j , max ≤ b - - - ( 7 ) ]]>

其中b为阈值，在0.1到0.2之间，具体可通过数值模拟预先确定；当某杆件的NSI值小于等于b时，即判断杆件为损伤状态；

(7)若有损伤杆件，再使用无损检测局部检测方法对初判损伤的杆件进行损伤程度检测，然后根据杆件损伤的严重性做出维修或更换杆件的决策。