基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括：根據(jù)所述三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際情況及理論要求，確定系統(tǒng)剪切方向上激勵(lì)點(diǎn)與振動(dòng)響應(yīng)測量點(diǎn)的位置；在選定的系統(tǒng)測量點(diǎn)上布置加速度傳感器，構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；在選定的激勵(lì)點(diǎn)上對系統(tǒng)進(jìn)行有效激勵(lì)，與此同時(shí)測量其加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)；對測得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推求解，獲得系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)信息，并與其完好時(shí)的參數(shù)信息相比較，計(jì)算損傷指標(biāo)，完成三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的快速損傷檢測。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過較少數(shù)量的測量信息即可快速方便地實(shí)現(xiàn)三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的定量檢測。
【專利說明】基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種損傷檢測方法，尤其涉及一種基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，屬于結(jié)構(gòu)健康檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對工程結(jié)構(gòu)安全可靠性能要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)健康檢測和診斷技術(shù)得到了迅速地發(fā)展。近年來，地震、臺(tái)風(fēng)和洪澇等自然災(zāi)害的發(fā)生愈加頻繁，為了抵御這些自然災(zāi)害，保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全，具有減隔震效果強(qiáng)、抗震安全性高等優(yōu)勢的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)在低層工程結(jié)構(gòu)上效果較好，而三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)更是主流結(jié)構(gòu)之一。但是在災(zāi)害事件發(fā)生后，或者結(jié)構(gòu)在長期服役的情況下，基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生一些損傷，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難事故的發(fā)生，因此，基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的快速損傷檢測得到了極大的重視?；谡駝?dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)的損傷檢測技術(shù)是目前工程結(jié)構(gòu)健康檢測的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)通過在工程系統(tǒng)中布置加速度傳感器網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)與測量，對測得的信息進(jìn)行分析處理，從而判斷系統(tǒng)中是否存在損傷以及得到損傷的位置和程度。目前基于振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)的損傷檢測方法主要分為兩大類:第一類頻域法，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域信號(hào)后，對系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)，然而，此類方法需要對一段蘊(yùn)含了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性完整信息的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換分析，即需要對信號(hào)進(jìn)行分段處理，這將會(huì)導(dǎo)致該類方法的實(shí)時(shí)性有所欠缺，此外，頻域參數(shù)受環(huán)境影響很大，如固有頻率對溫度較敏感，再者，為了有效地激勵(lì)出較重工程結(jié)構(gòu)的一些高階頻域信息，通常需要對其施加能量較大的載荷，而在工程結(jié)構(gòu)損傷檢測過程中，并不希望對結(jié)構(gòu)施加重載；第二類時(shí)域法，直接對測量得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)分析，實(shí)時(shí)性較好，然而，當(dāng)工程結(jié)構(gòu)涉及大量的自由度時(shí)，由包含大量自由度的運(yùn)動(dòng)方程求解結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度是很困難的。由此可見，當(dāng)工程結(jié)構(gòu)可以簡化為自由度數(shù)目較少的系統(tǒng)時(shí)，時(shí)域法有著一定的優(yōu)勢。對于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)損傷檢測時(shí)域方法，所有的外部激勵(lì)和所有自由度上的加速度響應(yīng)信息均需測量，然而，通常實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的外部激勵(lì)往往難以準(zhǔn)確測量或無法測量。此外，某些所需測量振動(dòng)響應(yīng)的位置由于現(xiàn)場情況也難以布置傳感器。再者，為了快速經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷檢測，人們更希望使用較少數(shù)量的傳感器，在以往的損傷檢測方法中，研究人員通常將傳統(tǒng)的損傷檢測技術(shù)與模型縮聚理論和子結(jié)構(gòu)理論相結(jié)合以減少傳感器的數(shù)量，但這個(gè)過程會(huì)引入一些不希望的系統(tǒng)誤差。故能實(shí)際應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新而有效的損傷識(shí)別方法還有待進(jìn)一步發(fā)展，特別是，還存在許多挑戰(zhàn)性的問題需要研究和解決:(i)無需測量系統(tǒng)的輸入信息，只需測量部分的系統(tǒng)輸出響應(yīng)信息，在最小化傳感器測量數(shù)量的基礎(chǔ)上有效地檢測損傷；(ii)為了保證損傷檢測的穩(wěn)定性，方法需要的是無條件穩(wěn)定收斂的解析遞歸解，而不是迭代解，并對噪聲具有一定的魯棒性；(iii)損傷檢測方法除了對線性系統(tǒng)有效外，還應(yīng)能夠應(yīng)用于遲滯非線性系統(tǒng)；(iv)算法應(yīng)具有較高的計(jì)算效率和精度并易于自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。
[0003]為了克服現(xiàn)有的基于振動(dòng)加速度響應(yīng)信號(hào)損傷檢測方法所存在的上述不足，相關(guān)學(xué)者對基于不完全測量的損傷檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。例如基于不完全測量的卡爾曼濾波系統(tǒng)損傷檢測方法，該方法可以應(yīng)用于線性和遲滯非線性系統(tǒng)，利用部分輸出響應(yīng)信息計(jì)算得到系統(tǒng)的參數(shù)信息，然而，其求解過程中需要對非線性狀態(tài)方程線性化，線性化后狀態(tài)方程中待識(shí)別參數(shù)的部分極點(diǎn)落在虛軸上，這會(huì)導(dǎo)致解可能容易變得不穩(wěn)定，此外由于進(jìn)行了線性化處理，當(dāng)初始參數(shù)估計(jì)值超出了收斂范圍時(shí)，解可能會(huì)不收斂，即該方法對相關(guān)初值的選取要求較高，需要過多的人為經(jīng)驗(yàn)干預(yù)，算法的穩(wěn)定性一般。再例如基于不完全測量的序貫非線性最小二乘估計(jì)系統(tǒng)損傷檢測方法，該方法避免了上例中的一些不足，但由于Newmark - β技術(shù)的使用，狀態(tài)向量的估計(jì)精度受采樣頻率影響較大，使該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定限制，此外，當(dāng)噪聲相對較大時(shí)所估計(jì)的狀態(tài)量會(huì)產(chǎn)生難以在線消除的數(shù)據(jù)漂移，這也將會(huì)影響系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別結(jié)果的精度。實(shí)際上，對于結(jié)構(gòu)損傷檢測來說，不僅要解決以上所有問題，確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷及損傷的位置，還需對損傷的程度進(jìn)行精確的定量分析。
[0004]因此，有必要尋找一種簡單快捷的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)損傷定量檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，通過簡單的系統(tǒng)激勵(lì)和測量，對測量得到的有限數(shù)量的輸出響應(yīng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而快速方便地實(shí)現(xiàn)三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)損傷的定量檢測。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題:
[0007]—種基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，該方法包括以下步驟:
[0008]步驟Α、根據(jù)三層 基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際情況及理論要求，確定系統(tǒng)剪切方向上激勵(lì)點(diǎn)與振動(dòng)響應(yīng)測量點(diǎn)的位置；
[0009]步驟B、在選定系統(tǒng)測量點(diǎn)的剪切方向上布置加速度傳感器，構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；
[0010]步驟C、在選定的激勵(lì)點(diǎn)上對系統(tǒng)進(jìn)行有效激勵(lì)，與此同時(shí)測量其加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)；
[0011]步驟D、對步驟C所測得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理:
[0012]步驟D1、依據(jù)激勵(lì)點(diǎn)與測量點(diǎn)的布置方案，建立相對應(yīng)的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)理論模型；
[0013]三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程如下:
[0014]
【權(quán)利要求】
1.一種基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟A、根據(jù)三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際情況及理論要求，確定系統(tǒng)剪切方向上激勵(lì)點(diǎn)與振動(dòng)響應(yīng)測量點(diǎn)的位置； 步驟B、在選定系統(tǒng)測量點(diǎn)的剪切方向上布置加速度傳感器，構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)； 步驟C、在選定的激勵(lì)點(diǎn)上對系統(tǒng)進(jìn)行有效激勵(lì)，與此同時(shí)測量其加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)； 步驟D、對步驟C所測得的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理: 步驟D1、依據(jù)激勵(lì)點(diǎn)與測量點(diǎn)的布置方案，建立相對應(yīng)的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)理論模型； 三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟A中所述的激勵(lì)點(diǎn)與振動(dòng)響應(yīng)測量點(diǎn)位置的選取是在基于損傷檢測方法理論要求所建立的5種激勵(lì)與測量方案中挑選，依據(jù)三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的現(xiàn)場實(shí)際情況確定應(yīng)用方案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟B中所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)為一種用于系統(tǒng)快速損傷檢測的臨時(shí)安裝的傳感器網(wǎng)絡(luò)或者為一種用于系統(tǒng)持續(xù)健康監(jiān)測的長期安裝的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟C中所述的有效激勵(lì)的時(shí)間應(yīng)持續(xù)不小于5秒、激勵(lì)大小不小于可激勵(lì)出系統(tǒng)前4階模態(tài)的激勵(lì)強(qiáng)度，測量加速度響應(yīng)信息的采樣頻率應(yīng)不小于500Hz，同時(shí)信噪比應(yīng)不小于5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟Dl中所述的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程，應(yīng)根據(jù)5種激勵(lì)與測量方案和算法運(yùn)動(dòng)方程形式進(jìn)行改寫，并基于瞬時(shí)剛度阻尼理論改進(jìn)方程進(jìn)行簡化，得出最終可用于算法的系統(tǒng)理論模型。
6.如權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟D2中所述的X和Y的初值為O，Z的初值由人為估計(jì)給出。
7.如權(quán)利要求1所述基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法，其特征在于:步驟E中所述的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在完好狀態(tài)下的參數(shù)信息由系統(tǒng)在無損時(shí)用本發(fā)明基于不完全測量的三層基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)快速損傷檢測方法計(jì)算獲得，或者從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中查 得。
【文檔編號(hào)】G01M7/02GK103528778SQ201310472905
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】穆騰飛, 周麗, 李揚(yáng) 申請人:南京航空航天大學(xué)