一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法与流程

1.本发明涉及结构损伤检测领域，具体涉及一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法。


背景技术：

2.拱坝是由水平向的拱圈与竖直向的悬臂梁共同作用形成的空间壳体结构，由于其良好的地形适应性和超载能力在水工结构中得到广泛应用。拱坝不同的坝段是独立浇筑并通过混凝土高压灌浆连接而成的，但灌浆连接部分即横缝仍被认为是拉、剪应力作用下拱坝的薄弱区。地震作用很可能对横缝造成破坏，从而引起相邻两个坝段的相对张开滑移行为，威胁到拱坝结构的完整性和安全性。此外，当横缝位移超过止水变形极限时，上游水压力在横缝内部的渗透会对坝体内壁产生额外的压力，进而使横缝开口加剧。在拱坝安全防范的众多关键问题中，地震引起的横缝损伤问题已被列为重点研究课题。
3.对于横缝损伤问题的检测，现有方法主要是从以下两个方面来考虑的。其一，基于横缝测缝计的静态监测方法。横缝测缝计是监测拱坝横向缝张开度最常用的工具，但其监测数据测量耗时较长，基本以日、月为测量单位，因此很难在地震发生的同时判断拱坝横缝的损伤情况。其二，基于强迫振动响应的损伤检测方法。地震荷载引起的横缝损伤具有强烈的非线性特征，理论上，基于结构强迫振动响应的次谐波、超谐波等非线性特征是可以用来检测横缝损伤。然而，拱坝规模巨大且工作环境恶劣，难以直接对其施加特定荷载。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法，以克服传统检测方法面对地震引起的拱坝横缝损伤问题束手无策的局限性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
6.一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法，包括以下步骤：
7.采集待检测拱坝的各检测位置在地震发生时的加速度振动信号；
8.对某一检测位置，选取横缝两侧的加速度振动信号并进行坐标变换，分别获得横缝切向加速度振动信号和法向加速度振动信号；
9.将横缝切向加速度振动信号和法向加速度振动信号，通过连续小波变换分别转化为横缝的切向时-频矩阵和法向时-频矩阵；
10.根据横缝的切向时-频矩阵和法向时-频矩阵，分别计算横缝两侧响应的法向损伤指标和切向损伤指标，并根据法向损伤指标和切向损伤指标，确定该检测位置的综合损伤指标；
11.获得所有检测位置的综合损伤指标，根据所有待检测位置的综合损伤指标识别拱坝横缝的损伤状态。
12.优选地，所述采集待检测拱坝在地震发生时的加速度振动信号，包括以下步骤：
13.布置加速度传感系统于待检测拱坝；
14.采用加速度传感系统获取待检测拱坝在地震发生时的加速度振动信号；
15.所述加速度传感系统包括互相电连接的加速度传感器、信号实时采集设备和信号实时存储设备；其中，所述加速度传感器至少在每条待检测横缝的左右两侧各布置一只，并且在高度方向上沿横缝两侧布置多只。
16.优选地，所述横缝两侧的加速度振动信号的获取，包括：
17.以左岸至右岸方向为x向，以上游至下游方向为y向，加速度传感器所处位置的极坐标角度为θ，则其横缝切向加速度振动信号为：
18.t(t)＝x(t)sinθ+y(t)cosθ
19.横缝法向加速度振动信号为：
20.n(t)＝x(t)cosθ-y(t)sinθ
21.其中，x(t)和y(t)表示x向和y向的加速度振动响应。
22.优选地，所述横缝的切向时-频矩阵根据以下公式计算：
[0023][0024][0025]
其中，ta(t)和tb(t)表示某一检测位置两侧的横缝切向加速度振动信号；ψ(t)表示小波函数，u表示时移因子，s表示尺度因子；ttsra(u,s)和ttsrb(u,s)表示某一检测位置两侧的切向时-频矩阵；
[0026]
所述法向时-频矩阵根据以下公式计算，包括以下公式：
[0027][0028][0029]
其中，na(t)和nb(t)表示某一检测位置两侧的横缝法向加速度振动信号；ntsra(u,s)和ntsrb(u,s)表示表示某一检测位置两侧的法向时-频矩阵。
[0030]
优选地，所述横缝两侧响应的法向损伤指标cct根据以下公式计算：
[0031][0032]
其中，表示ttsra的均值，表示ttsrb的均值；
[0033]
所述横缝两侧响应的切向损伤指标ccn根据以下公式计算：
[0034]
[0035]
其中，表示ntsra的均值，表示ntsrb的均值。
[0036]
优选地，所述综合损伤指标为di＝min(cct，ccn)。
[0037]
优选地，还包括：
[0038]
根据识别的拱坝横缝的损伤状态，绘制损伤指示图。
[0039]
优选地，所述损伤指示图根据各检测位置的di按照如下原则选择损伤区间并确定预警颜色；其中：
[0040]
强损伤，di＝[0.00-0.70)，红色；中等损伤，di＝[0.70-0.90)，黄色；未损伤，di＝[0.90-1.00]，绿色；
[0041]
最终在传感器网络图上绘制损伤指示图。
[0042]
本发明的有益效果：
[0043]
本发明提出一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法，通过对采集到的地震响应信号进行坐标变换和连续小波变换等程序得到时-频矩阵，基于时-频矩阵计算横缝两侧响应的法向和切向损伤指标，最终使用综合损伤指标用来评估拱坝横缝地震损伤的发展程度。本方法与现有技术相比具有实时性特点，方法是直接基于拱坝的地震响应开展的，避免了传统动力损伤检测过程中需要人为施加激励并采集响应带来的不便。
附图说明
[0044]
图1是本发明实施例的方法流程图；
[0045]
图2是本发明实施例的拱坝实验布置图；
[0046]
图3是本发明实施例的人工地震波；
[0047]
图4是本发明实施例的拱坝横缝损伤指示图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049]
实施例1
[0050]
本发明的一种拱坝横缝地震损伤的动力检测方法，如图1-4所示。
[0051]
以某混凝土拱坝为原型，按1:200的几何比例尺进行设计并进行了缩尺拱坝模型的抗震试验。荷载通过振动台的底部激励施加，应用人工地震波对拱坝进行破坏。
[0052]
s1:如附图2所示，布置加速度传感系统于待检测拱坝。该缩尺拱坝模型考虑三条横缝，在两侧横缝上各布置三对传感器，在中间横缝上布置四对传感器。加速度传感器采用灵敏度系数10mv/g，量程50g的三向加速度传感器。所有加速度传感器和一个多通道加速度采集仪、一台计算机连接。
[0053]
s2:如附图3，通过振动台设备分别开展人工地震波加载，使用s1中的加速度传感系统获取待检测拱坝在地震发生时的加速度振动信号。
[0054]
s3:本实施例中加速度传感器已经沿着拱坝横缝的法向和切向布置，无需坐标变换。
[0055]
s4:将某一检测位置两侧的横缝切向加速度振动信号转化为某一检测位置两侧的
横缝切向时-频矩阵用如下公式计算
[0056][0057][0058]
其中，ta(t)和tb(t)表示某一检测位置两侧的横缝切向加速度振动信号。ψ(t)表示小波函数，u表示时移因子，s表示尺度因子。
[0059]
s4中将某一检测位置两侧的横缝切法向加速度振动信号转化为某一检测位置两侧的横缝法向时-频矩阵用如下公式计算
[0060][0061][0062]
其中，na(t)和nb(t)表示某一检测位置两侧的横缝法向加速度振动信号。ψ(t)表示小波函数，u表示时移因子，s表示尺度因子。
[0063]
s5:根据s4中某一检测位置两侧的横缝切向时-频矩阵计算切向损伤指标，使用如下公式计算
[0064][0065]
其中，表示ttsra的均值，表示ttsrb的均值。
[0066]
根据s4中某一检测位置两侧的横缝切向时-频矩阵计算切向损伤指标，使用如下公式计算
[0067][0068]
其中，表示ntsra的均值，表示ntsrb的均值。
[0069]
s6:根据s5中的切向和法向损伤指标选择该检测位置的综合损伤指标di。
[0070]
s7:对所有待检测位置执行s3-s5过程，得到所有待检测位置的切向损伤指标cct和法向损伤指标ccn，见下表。
[0071]
表1切向损伤指标cct和法向损伤指标ccn统计表
[0072][0073]
对所有待检测位置执行s6过程，得到所有待检测位置的综合损伤指标，见下表。
[0074]
表2所有待检测位置的综合损伤指标统计表
[0075][0076]
s8:根据s7中所有待检测位置的综合损伤指标识别拱坝横缝的损伤状态并绘制损伤指示图，见附图4。
[0077]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。