專利名稱：用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)損傷診斷的方法，屬于橋梁、工用民用建筑等土木工 程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測、檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工程結(jié)構(gòu)服役年限在幾十年甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化疲勞效應(yīng)及 突發(fā)災(zāi)難等耦合作用將不可避免的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷積累和抗力衰減，從而導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)抵抗自然災(zāi)難，甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端條件下會引發(fā)災(zāi)難事 故。為保證結(jié)構(gòu)的健康即安全性、完整性、適用性、耐久性需要對在役結(jié)構(gòu)進(jìn) 行檢測并評定其健康狀況。
結(jié)構(gòu)健康檢測和損傷識別技術(shù)的研究和應(yīng)用是土木工程行業(yè)的熱點(diǎn)、難點(diǎn) 問題。目前的技術(shù)一般從測試技術(shù)、數(shù)值分析和信號處理等方面來尋求解決該 類問題的方法。突出的問題主要表現(xiàn)在以下兩個方面
1、 健康基準(zhǔn)缺失
目前服役的多數(shù)結(jié)構(gòu)缺少構(gòu)建時的結(jié)構(gòu)的原始動力參數(shù)，造成測試后的動 力參數(shù)無法界定結(jié)構(gòu)的健康狀況。
2、 各種損傷識別方法存在不足
目前的損傷識別中操作性較強(qiáng)的是基于工程振動測試的結(jié)構(gòu)整體動力參 數(shù)的識別方法，此類方法突出的問題是采取的損傷標(biāo)準(zhǔn)都是基于損傷結(jié)構(gòu)相對 于完好結(jié)構(gòu)的改變量，結(jié)構(gòu)的局部的損傷對結(jié)構(gòu)的整體動態(tài)參數(shù)改變影響很 小，靈敏度不高。同時受限于工程條件和測量方法，結(jié)構(gòu)整體的高階動態(tài)信息 不易獲得。
數(shù)值分析技術(shù)建立在結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，由于很難掌握結(jié)構(gòu)損傷機(jī) 理，致使模型的建立在很大的程度上取決于主觀經(jīng)驗(yàn)，造成有限元模型修正困 難，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可信程度依賴于模型的精度和計(jì)算方法， 一般存在較大的 誤差。此外，還有很多方法尚停留在理論研究階段，工程實(shí)踐的操作性不強(qiáng)，有 效性有待驗(yàn)證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法存在健康基準(zhǔn)缺失致使測試后
的動力參數(shù)無法界定結(jié)構(gòu)的健康狀況；傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)整體的動力參數(shù)方法存 在結(jié)構(gòu)局部的損傷對結(jié)構(gòu)的整體動態(tài)參數(shù)改變影響很小，靈敏度不高，同時受 限于工程條件和測量方法，結(jié)構(gòu)整體的高階動態(tài)信息不易獲得的問題，進(jìn)而提 供了一種用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是-用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的 步驟一、選取測試對象所選取測試對象為對稱桿件;
步驟二、按對稱原理布置檢測設(shè)備在所選取的每個對稱桿件上按"對稱 原理"布置傳感器，所述每個傳感器連接至與其配套的采集儀器上；所述"對 稱原理"是指各個傳感器的型號相同、各個傳感器在對稱桿件上的安裝位置相 同(固定在桿件上的相對位置要確定)，而且拾振方向要一致；
步驟三、桿件激振及振動信號采集在各個對稱桿件上施加形式相同的振 動激勵(桿件激振方式相同)，通過該桿上的傳感器傳輸振動信息至采集儀器 并存儲記錄此振動信息；
步驟四、信息處理將采集到的各個對稱桿件自由振動的時域信號轉(zhuǎn)換成 幅頻信息，以獲得每根桿件的一階固有頻率值，此值作為信號標(biāo)識量用于各個 對稱桿件間的對比；
步驟五、結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)將代表各桿件健康狀態(tài)的信號標(biāo)識量進(jìn)行對比 各對稱桿標(biāo)識量相同桿件均為健康狀態(tài)；標(biāo)識量存在顯著差異者為損傷桿件 (各對稱桿件標(biāo)識量不同桿件存在損傷)；桿件損傷導(dǎo)致桿件的固有頻率降低， 通過対稱桿件間頻率值對比發(fā)現(xiàn)此差異，頻率小者存在損傷。
本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)
本發(fā)明方法解決了結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)缺失對損傷識別的影響，較傳統(tǒng)的基于結(jié) 構(gòu)整體的動力參數(shù)方法具有靈敏度高(如圖12所示)、實(shí)踐性強(qiáng)、分析簡單、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。此方法不依賴結(jié)構(gòu)的原始動力特性，以被測對象互為參考基 準(zhǔn)，免去測試前的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)調(diào)研工作，僅需對擬評估的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一般的力學(xué) 行為分析即可確定實(shí)測方案，實(shí)施起來方便快捷。本方法是發(fā)明人經(jīng)過長期的 實(shí)驗(yàn)觀察和工程實(shí)踐總結(jié)出的科研成果。本發(fā)明可運(yùn)用于土木工程結(jié)構(gòu)損傷診 斷及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。
本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面
1、 解決了結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)缺失的問題。滿足對稱條件桿件(或結(jié)構(gòu))互為 基準(zhǔn)，無需結(jié)構(gòu)先驗(yàn)信息作基準(zhǔn)。
2、 準(zhǔn)確識別結(jié)構(gòu)的局部損傷，指示性強(qiáng)、靈敏度高。附圖6為本例方法 與基于結(jié)構(gòu)整體頻率改變的損傷識別方法的對比。
3、 工程實(shí)用性強(qiáng)，對擬測工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場條件要求低，無需對檢測的結(jié) 構(gòu)進(jìn)行特別的加、卸載處理；儀器布置和檢測過程中可不中斷結(jié)構(gòu)的使用功能
(如橋梁通車，廠房生產(chǎn)等)，實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效果。


圖1是本發(fā)明方法的流程框圖；圖2是鋼桁架幾何構(gòu)造示意立體圖(鋼桁 架構(gòu)造圖)，圖3是鋼桁架的主視圖(鋼桁架正立面圖)，圖4是圖3的俯視圖 (上弦平面圖)，圖5是圖3是仰視圖(下弦平面圖)；圖6是對稱桿件及傳 感器的布置示意圖(A表示兩組空間對稱的桿件，且每組有兩個桿件，B表示 傳感器布置在桿件中部)，圖7是對稱桿件及傳感器的布置示意圖(帶有局部 放大意；四根桿長相同、截面尺寸相同、材質(zhì)相同、邊界上用相同的螺栓與結(jié) 構(gòu)主體連接的桿件構(gòu)成一組對稱桿件；傳感器布置在桿件中部；C表示為壓電 傳感器采集桿件y向振動；D表示為連接采集儀的數(shù)據(jù)線)，圖8是桿件激振 及振動信號采集過程示意圖(傳感器1、桿件2、桿件端連接件3、繩索4、 2kg 重物5)，圖9是將振動時間域信息處理為頻率域信號以獲得桿件固有頻率后 處理軟件顯示的結(jié)果圖(信息處理過程；上圖為振動時間域信號，下圖為振動 信號的自功率譜)，圖IO是對比對稱桿的譜圖(對稱桿件健康狀態(tài)的信號標(biāo)識 量在同一坐標(biāo)系的譜圖；直觀的對稱信號法原理識別損傷，對比顯示兩根桿件 無損傷；完好桿件作為基準(zhǔn)(E26s桿)與之差別較大者發(fā)生損傷)；圖11是對比對稱桿的譜圖(對稱桿件健康狀態(tài)的信號標(biāo)識量在同一坐標(biāo)系的譜圖；直 觀的對稱信號法原理識別損傷，對比顯示編號E26的桿件存在損傷)；圖12 是傳統(tǒng)損傷識別方法與對稱信號法損傷識別方法識別精度對比圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一如圖1 12所示，本實(shí)施方式所述的用于結(jié)構(gòu)損傷診斷 的對稱信號方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟一、選取測試對象所選取測試對象為對稱桿件；
步驟二、按對稱原理布置檢測設(shè)備在所選取的每個對稱桿件上按"對稱 原理"布置傳感器，所述每個傳感器連接至與其配套的采集儀器上；所述"對 稱原理"是指各個傳感器的型號相同、各個傳感器在對稱桿件上的安裝位置相 同(固定在桿件上的相對位置要確定)，而且拾振方向要一致；
步驟三、桿件激振及振動信號采集在各個對稱桿件上施加形式相同的振 動激勵(桿件激振方式相同)，通過該桿上的傳感器傳輸振動信息至采集儀器 并存儲記錄此振動信息；
步驟四、信息處理將采集到的各個對稱桿件自由振動的時域信號轉(zhuǎn)換 成幅頻信息，以獲得每根桿件的一階固有頻率值，此值作為信號標(biāo)識量用于各 個對稱桿件間的對比；獲得的振動信息必須通過相同的技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成相同量 綱、相同坐標(biāo)系下信號標(biāo)識量；
此步驟的目的是獲得用于判斷桿件損傷的信號標(biāo)識量。通常采用的方法 是運(yùn)用振動信號的模態(tài)識別技術(shù)獲得各對稱桿件的固有頻率；
步驟五、結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)將代表各桿件健康狀態(tài)的信號標(biāo)識量進(jìn)行對比 各對稱桿標(biāo)識量相同桿件均為健康狀態(tài)；標(biāo)識量存在顯著差異者為損傷桿件 (各對稱桿件標(biāo)識量不同桿件存在損傷)；桿件損傷導(dǎo)致桿件的固有頻率降低， 通過對稱桿件間頻率值對比發(fā)現(xiàn)此差異，頻率小者存在損傷。
本發(fā)明方法在實(shí)施過程中，需要選用部分檢測儀器設(shè)備，如百分表、千分 表、拉線位移計(jì)、轉(zhuǎn)角儀、各類型傳感器及配套的采集儀、電荷放大器、示波 儀等。目的是獲得表征對稱桿件工作狀態(tài)的靜力或動力信息。儀器操作應(yīng)遵守 操作規(guī)程。"布設(shè)傳感器"必須選用型號相同的傳感器，固定在每根桿件上的相對位置要確定，采集桿件相同主軸方向的振動。例如附圖2中對稱桿件均采 用LC0405T壓電傳感器、設(shè)置在桿件桿長中部的上截面處，采集桿件y方向的 振動。
具體實(shí)施方式
二如圖1 12所示，本實(shí)施方式在步驟一中所述對稱桿件 是指桿件的幾何尺寸、材料屬性、邊界條件、工作狀態(tài)等均相同或者相近的一 組桿件。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三如圖1 12所示，本實(shí)施方式在步驟三中的所述振動激 勵指成熟的振動激振方法；根據(jù)工程場地條件可采用力錘或重物墜落等沖擊方 式的自由振動法、或采用激振器進(jìn)行白噪聲輸入或正弦掃頻激勵；或利用既有 生產(chǎn)設(shè)備使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動；或采集對稱桿件的脈動。其它步驟與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四如圖1 12所示，本實(shí)施方式在步驟四中，將獲得的各 個對稱桿件自由振動的時域信號(振動信息)通過相同的技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成相同 量綱、相同坐標(biāo)系下信號標(biāo)識量。其它步驟與具體實(shí)施方式
三相同。
具體實(shí)施方式
五如圖1 12所示，本實(shí)施方式在步驟四中所述信息處理 是振動信號模態(tài)參數(shù)提取的過程，采用FFT變換、自功率譜、小波變換或S 變換等方法獲得桿件頻率、阻尼等信號標(biāo)示量用于對稱桿件的對比。其它步驟 與具體實(shí)施方式
一或四相同。
實(shí)施例
結(jié)合八個拓?fù)湫问较嗤?，僅部分桿件存在損傷的立體空間桁架(如圖2 5)說明本方法在工程中具體實(shí)施方法，該過程可搬套于其他類似結(jié)構(gòu)。
(l)選取對稱桿件。八個桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问较嗤?一個桁架上的桿件與其 它桁架上編號相同的桿件互為對稱桿件。每個桁架中空間對稱的桿件也為對稱 桿件。例如桿件E3、 E3S和E4、 E4S， E5、 E5S和E6、 E6S為兩組空間對稱的 桿件，同時這八根桿件又滿足幾何尺寸相同(桿件長度、截面尺寸均相同)、 材質(zhì)相同(Q235鋼材)、邊界條件相似(與結(jié)構(gòu)連接板相同方式螺栓連接)的 對稱條件，而且構(gòu)件內(nèi)力水平相當(dāng)，即滿足工作狀態(tài)相近的原則，所以這八根 構(gòu)件構(gòu)成一組對稱桿件(如圖6和圖7所示)。
8(2) 布設(shè)傳感器。本例中將LC0405T型壓電傳感器通過磁吸方式固定在各 對稱桿中部的截面上端(如圖6和圖7所示)，用以記錄每根桿件的垂直方向 的振動。
(3) 桿件激振及振動信號采集。每根對稱桿的激振方法均相同，(如圖8 所示)采用2公斤重物用繩索懸吊在桿件中部，使桿件略微偏離平衡位置，剪 斷繩索后桿件自由振動，通過傳感器及傳輸線將桿件振動信息傳輸至采集儀并 存儲該信息。
(4) 信息處理。采集到的是各桿件自由振動的時域信號，通過采集儀器自 帶的自功率譜功能將時域信號轉(zhuǎn)換成幅頻信息，獲得每根桿件的一階固有頻率 值，此值作為信號標(biāo)識量用于桿件間的對比(如圖9所示)。
(5) 損傷識別。對比信號標(biāo)識量發(fā)現(xiàn)損傷。本例中對比結(jié)果顯示八個桁架 中的編號為E26桿件頻率差別顯著，實(shí)際上在該位置的桿件確實(shí)存在人為損 傷，證明對稱信號法結(jié)構(gòu)損傷識別效果顯著(如圖10和圖11所示)。
本發(fā)明所述的"對稱信號法"損傷診斷原理
按照對稱原則確定檢測對象，只有滿足"對稱"條件的桿件才適用本方法。 "對稱信號法"即"對稱桿件應(yīng)該有對稱信號"，對稱桿件指桿件的幾何尺寸、 材料屬性、邊界條件、工作狀態(tài)等均相同或者相近的桿件。對于廣泛應(yīng)用對稱 原則設(shè)計(jì)的大型結(jié)構(gòu)，尤其是那些主要由長細(xì)桿件組成的結(jié)構(gòu)形式(如桁架結(jié) 構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等)或具有長細(xì)桿件的結(jié)構(gòu)(如拉索結(jié)構(gòu)等)，結(jié)構(gòu)中的對稱桿 件同時在同位置發(fā)生同程度的損傷是小概率事件，因此表征對稱桿件工作狀態(tài) 的變形或者頻率等靜力、動力參數(shù)應(yīng)該相等，否則，變形較大者或頻率較小者 存在損傷。簡而言之，對稱桿件應(yīng)該有對稱信號，信號不同者存在損傷。按此 原則，采用合適的技術(shù)工藝可以獲得對稱桿件的靜力參數(shù)或動力參數(shù)作為信號 標(biāo)示量，通過比較信號標(biāo)識量可以準(zhǔn)確的識別桿件的損傷。
本，法在具體實(shí)施中需遵循如下四個實(shí)施工藝準(zhǔn)則l)測試對象的選取 準(zhǔn)則、2)設(shè)備布置及數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)則、3)數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則和4)結(jié)構(gòu)損傷評價(jià) 準(zhǔn)則。所述四個準(zhǔn)則均滿足對稱原理?xiàng)U件尺寸相同、桿件材質(zhì)相同、桿件邊 界條件相同；傳感器位置、拾振方向相同；桿件激振方式相同。具體的實(shí)施過程中，準(zhǔn)則的實(shí)施應(yīng)兼顧工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況。
本發(fā)明的"對稱信號法原理"指對于由長細(xì)桿件組成的結(jié)構(gòu)形式(如桁 架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等)或具有長細(xì)桿件的結(jié)構(gòu)(如拉索結(jié)構(gòu)等)，結(jié)構(gòu)中的對 稱桿件同時在同位置發(fā)生同程度的損傷是小概率事件，因此表征對稱桿件工作 狀態(tài)的變形或者頻率等信號應(yīng)該相等，否則，變形較大者或頻率較小者存在損 傷。簡而言之，對稱桿件應(yīng)該有對稱信號，信號不同者存在損傷。
"測試對象的選取準(zhǔn)則"指依據(jù)對稱信號法原理挑選滿足對稱條件的桿件 作為結(jié)構(gòu)損傷診斷的測試對象。對稱桿件應(yīng)具有"對稱"的特點(diǎn)，"對稱"指 的是對稱桿件間具有幾何尺寸相同、材質(zhì)相同、邊界條件相同、工作狀態(tài)相近 等基本特點(diǎn)。
"設(shè)備布置及數(shù)據(jù)的采集準(zhǔn)則"，指本方法實(shí)施中由檢測工作引入信號增 量不應(yīng)改變待測對象的"對稱性"，具體而言就是對測試對象作業(yè)時，引進(jìn)的 振動激勵方式、試驗(yàn)儀器設(shè)備應(yīng)該相同。其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是傳感器的型號要相同， 固定在桿件上的相對位置要確定，拾振方向要一致。
"數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則"指獲得的振動信息通過相同的技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成相同量 綱、相同坐標(biāo)系下信號標(biāo)識量。
"結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)準(zhǔn)則"即對稱信號法原理。結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)就是對稱桿件應(yīng) 該有相同的信號，信號顯著不同者存在損傷。此處的"信號顯著不同"指信號
相對差別大于2%。例如以頻率為信號標(biāo)識量時，對稱桿件固有頻率值應(yīng)該相 等，否則頻率小者可能存在損傷。
權(quán)利要求
1、一種用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，其特征在于所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、選取測試對象所選取測試對象為對稱桿件；步驟二、按對稱原理布置檢測設(shè)備在所選取的每個對稱桿件上按“對稱原理”布置傳感器，所述每個傳感器連接至與其配套的采集儀器上；所述“對稱原理”是指各個傳感器的型號相同、各個傳感器在對稱桿件上的安裝位置相同，而且拾振方向要一致；步驟三、桿件激振及振動信號采集在各個對稱桿件上施加形式相同的振動激勵，通過該桿上的傳感器傳輸振動信息至采集儀器并存儲記錄此振動信息；步驟四、信息處理將采集到的各個對稱桿件自由振動的時域信號轉(zhuǎn)換成幅頻信息，以獲得每根桿件的一階固有頻率值，此值作為信號標(biāo)識量用于各個對稱桿件間的對比；步驟五、結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)將代表各桿件健康狀態(tài)的信號標(biāo)識量進(jìn)行對比各對稱桿標(biāo)識量相同桿件均為健康狀態(tài)；標(biāo)識量存在顯著差異者為損傷桿件；桿件損傷導(dǎo)致桿件的固有頻率降低，通過對稱桿件間頻率值對比發(fā)現(xiàn)此差異，頻率小者存在損傷。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，其特征在 于在步驟一中所述對稱桿件是指桿件的幾何尺寸、材料屬性、邊界條件、工 作狀態(tài)均相同或者相近的一組桿件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，其特 征在于在步驟三中所述振動激勵指成熟的振動激振方法；根據(jù)工程場地條件 可采用力錘或重物墜落等沖擊方式的自由振動法、或采用激振器進(jìn)行白噪聲輸 入或正弦掃頻激勵；或利用既有生產(chǎn)設(shè)備使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動；或采集對稱桿件的 脈動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，其特征在 于在步驟四中，將獲得的各個對稱桿件自由振動的時域信號通過相同的技術(shù)手段轉(zhuǎn)換成相同量綱、相同坐標(biāo)系下信號標(biāo)識量。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，其特 征在于在步驟四中所述信息處理是振動信號模態(tài)參數(shù)提取的過程，采用FFT 變換、自功率譜、小波變換或S變換方法獲得桿件頻率、阻尼信號標(biāo)示量用于 對稱桿件的對比。
全文摘要
用于結(jié)構(gòu)損傷診斷的對稱信號方法，它涉及一種結(jié)構(gòu)損傷診斷的方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷診斷方法存在健康基準(zhǔn)缺失；傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)整體的動力參數(shù)方法存在結(jié)構(gòu)的局部的損傷對結(jié)構(gòu)的整體動態(tài)參數(shù)改變影響小，靈敏度不高等問題。本方法的主要步驟為選取測試對象、按“對稱原理”布置檢測設(shè)備、桿件激振及振動信號采集、信息處理、結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)。本發(fā)明方法解決了結(jié)構(gòu)健康基準(zhǔn)缺失對損傷識別的影響，較傳統(tǒng)的基于結(jié)構(gòu)整體的動力參數(shù)方法具有靈敏度高、實(shí)踐性強(qiáng)、分析簡單、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01M99/00GK101539493SQ20091007190
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者李國東, 迅 郭 申請人:中國地震局工程力學(xué)研究所