专利名称：基于附加虚拟质量的框架结构损伤方法
基于附加虚拟质量的框架结构损伤方法技术领域
本发明属于质量结构监测技术领域，涉及一种适于应用在框架结构损伤识别的方法，具体的说是基于虚拟变形方法(VDM)在框架各个构件上附加虚拟质量、再联合附加虚拟质量后的频率进行框架结构损伤识别的方法。
背景技术：
结构健康监测(SHM)是土木工程中的主要研究方向，其中结构损伤识别是结构健康监测的重要理论组成部分，为结构的监测、预警、安全评定以及全寿命设计提供可靠的理论依据。结构模态是结构最基本的特征信息，最容易获得和识别，它不随着外界激励而改变，所以基于模态特别是频率信息的损伤识别方法被广泛应用于土木结构的损伤识别中。
框架结构受力合理，结构分析和计算方法成熟，施工方便，适应性强，是土木工程领域重要的结构形式之一。框架结构由梁和柱组成，各构件之间的相关性很强，且构件损伤对整体框架结构的模态影响较小，即模态关于构件损伤的灵敏度较低。一般实际工程只能识别出一些低阶模态，只利用少数的低阶模态很难识别出大型框架损伤的位置和大小。目前框架结构的损伤识别方法多将结构简化为剪切框架模型，剪切框架模型的特点是每层框架只有一个自由度，一层的刚度简化为一个剪切刚度，一层质量简化为一个集中质量，这样简化大大降低了识别的未知数目，降低了识别的难度。但是显然剪切模型太简单，有时候不能准确表达框架结构实际情况，特别对由梁和柱组成的普通框架模型，目前针对普通框架结构的损伤识别的方法还比较少。发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单且只利用少数传感器进行框架结构损伤识别的方法。
组成框架结构的构件包括梁和柱。利用一个可移动布置的加速度传感器和一个模态力锤，对框架中的构件逐个进行局部动力测试；然后利用所测量的加速度响应和力锤激励时程，基于虚拟变形方法(Virtual Distortion Method, VDM)分别计算在框架各个构件上附加虚拟质量后的频域响应，并识别对应的频率；最后联合所有附加虚拟质量后的频率识别框架结构的损伤。具体方案如下
一种基于附加虚拟质量的框架结构损伤方法，该方法对框架中梁和柱的局部动力测试方法相同，不失一般性，以柱为例介绍传感器布置和激励方式，见

图1，在构件I的中间位置布置加速度传感器3，用来测量垂直于构件长度方向的加速度，然后在构件中间位置沿传感器测量方向利用模态力锤4进行激励，并测量激励时程。
假设一个框架由n个构件组成，在框架的第i个构件的中间位置布置加速度传感器3，利用模态力锤4激励，测量加速度响应时程为Ji (t)，激励的时程为A (t)。F表示傅立叶变换，则第i个构件中点的加速度频率响应可由式(I)计算。
H1(Co)=7'^ = F (H)(I)v ’ FM) F a (0)
虚拟变形法(VDM)的基本思想是，结构发生改变后的响应等价于原结构在相同外荷载与由于结构发生改变所产生的虚拟力共同作用下的响应之和。若附加质量m后框架的第i个构件在单位脉冲作用下的加速度频率响应为Av ，则由于附加质量m所产生的惯性力为，-附扣卜，)即为虚拟变形法中的虚拟力。也就是说，在原结构上第 i个构件在脉冲激励和虚拟力共同作用下所产生的加速度频率响应，与附加质量m后结构加速度脉冲频率响应Av 相同，即公式(2)。
HJ (<z , m) = H1 (<z ) - mHvt (<z , m) H1 (<z )(2)
由式(2)可以求得附加虚拟质量m后的加速度脉冲响应为式⑶。由式(3)可以看出，给定任意质量m，附加质量后框架第i个构件中点的加速度脉冲频率响应都可以由原结构的加速度响应和激励时程的傅立叶变换代入公式(3)计算得到。进而对应的附加质量m后框架结构的频率可以由频率响应识别出。这里频率可以利用峰值提取法由构造的频率响应来识别频率。w 、 H1(CD)Yi(Cd)
HUCD,m) = ^； =\ ,(3)\ + mHt (<z>) F1 (ya>) + mYi (<z>)
利用公式(3)可以计算在框架上第i个构件上附加任意虚拟质量m后的频率响应并识别出对应结构的频率，从而可以给定一个最佳虚拟质量％，并且从所有识别的频率中挑选出一阶灵敏度最高的频率，假设为第匕阶，对应频率记为吖最佳质量Hli和模态阶数h，需要利用理论有限元模型的模态灵敏度分析来估计和确定。设 { n (m), co2i (m)，...}为在第i个构件上附加质量m后理论模型的频率，其中Coji(Iii) 为在第i个构件中间附加质量m所对应理论模型的第j阶频率。计算各阶频率的相对灵敏度=Hji(In)为对应的第j阶频率关于第i个构件的相对灵敏度，,、dcoJm) Cprii MKiCpii (m)Mm)= ; = \7为对应的第j阶频率关于第i个构件的灵敏度计算J SjUlIcoji [m)公式，y i为表示第i个构件的损伤因子，(m)为对应的第j个振型，Ki为第i个构件的扩展刚度矩阵。从而关于第i个构件的最佳附加质量Hli和所选模态的阶数h可由最大相对灵敏度来估计和确定，即由公式(4)来进行确定，所对应的频率记为辦4(M)。当利用理论模型通过灵敏度分析将各个构件对应的最佳质量和频率阶数确定下来之后，则分别对各个构件进行局部动力测试，由公式(3)构造对应的频率响应，并识别具有较高灵敏度的频率<G = 1,2,L , )，将由所有频率排列为向量形式为COv(见式(5))，那么COv即可以作为实测频率来识别框架结构的损伤。
) - 满足 < [(Okii K)) = max(/77, [m))(4)
权利要求
1.一种基于附加虚拟质量的框架结构损伤方法，其特征在于，利用一个加速度传感器和一个模态力锤对框架结构中各个构件进行局部动力测试，如果框架由n个构件组成，则需进行n次局部动力测试；在第i次局部动力测试时，将传感器垂直于第i个构件布置在其中间，用模态力锤沿传感器测量方向和位置激励，同时测量加速度响应yi(t)和激励fjt)， 对测量数据进行傅立叶变换分别获得频域的Yi (co)和匕(《);利用理论有限元模型计算附加质量m后各阶频率关于第i个构件损伤的灵敏度，从中估计和挑选出最佳质量Hii和模态阶数ky使其相对灵敏度达到最大，即Hii和h满足公式(4)。
全文摘要
本发明公开了一种基于附加虚拟质量的框架结构损伤方法，属于质量结构监测技术领域。其特征是，利用一个加速度传感器和模态力锤对框架中各构件分别测量来识别框架结构的损伤。对框架中的构件逐个进行局部动力测试，利用虚拟变形法由测量的加速度响应和激励时程构造加虚拟质量后的频率响应，从而实现在各个构件上附加虚拟质量，提高各构件对损伤的灵敏度。本发明克服了框架结构对局部损伤不敏感和损伤定位的困难，实际操作简单、成本低廉和识别准确等特点，具有很好的应用前景。
文档编号G01N29/12GK102539537SQ20111045423
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者侯吉林, 喻言, 李冬生, 欧进萍 申请人:大连理工大学