CN101526417B - 用乐音准则进行结构损伤诊断的方法 - Google Patents

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用乐音准则进行结构损伤诊断的方法，它涉及一种结构损伤诊断的方法，属于土木工程结构的健康监测、检测领域。本发明解决了现有的结构损伤诊断的方法无法快速定性测试出建筑结构是否有损伤的问题。本发明的主要步骤是：结构振动信息获取及技术处理阶段；结构损伤评判阶段：结合经技术处理后所得幅值频率曲线，以“乐音准则”作为结构损伤的判断基准来判断结构的状态，当结构的各固有频率比呈比例分布时，结构无损伤，反之结构可能存在损伤；乐音准则指在音乐中，泛音的频率与基音的频率具有确定的倍数关系。本方法不依赖结构的原始动力特性，以乐音准则作为结构损伤的判别准则，免去测试前的复杂的结构调研工作，实施起来方便快捷，检测成本低廉。

Description

用乐音准则进行结构损伤诊断的方法
技术领域
本发明涉及一种结构损伤诊断的方法，属于土木工程结构的健康监测、检测领域。
背景技术
工程结构因设计缺陷、施工质量、长期服役、自然及人为灾害等不利因素下不可避免的导致结构的损伤积累和抗力衰减，极端条件下会引发灾难事故。对在役结构采用合适的损伤诊断技术对结构的完整性、安全性进行合理的评价具有重要意义。
结构健康检测和损伤识别技术的研究和应用是土木工程行业的热点、难点问题。目前的技术一般从测试技术、数值分析和信号处理等方面来寻求解决该类问题的方法。突出的问题表现在：
1、健康基准缺失
目前服役的多数结构缺少构建时的结构的原始动力参数，造成测试后的动力参数无法界定结构的健康状况。
2、各种损伤识别方法存在不足
目前的损伤识别中操作性较强的是基于工程振动测试的结构整体动力参数的识别方法，此类方法突出的问题是采取的损伤标准都是基于损伤结构相对于完好结构的改变量，结构的局部的损伤对结构的整体动态参数改变影响很小，灵敏度不高。同时受限于工程条件和测量方法，结构整体的高阶动态信息不易获得。
数值分析技术建立在结构有限元模型的基础上，由于很难掌握结构损伤机理，致使模型的建立在很大的程度上取决于主观经验，造成有限元模型修正困难，计算得到的数据可信程度依赖于模型的精度和计算方法，一般存在较大的误差。
此外，还有很多方法尚停留在理论研究阶段，工程实践的操作性不强，有效性有待验证。现有技术中没有提供一种能免去测试前的复杂的结构调研工作、实施起来方便快捷、检测成本低廉的定性诊断结构是否损伤的方法。
发明内容
本发明为了解决现有的结构损伤诊断的方法无法快速定性测试出建筑结构是否有损伤的问题，进而提供了一种用乐音准则进行结构损伤诊断的方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的用乐音准则进行结构损伤诊断的方法适用于均匀、规则的一维和二维工程结构；所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、结构振动信息获取及技术处理阶段：
在服役结构上施加一定形式的振动激励使服役结构产生振动，通过设置在服役结构上的传感器及配套的传输、采集、存储设备，记录结构的时间历程的振动信息；
将获得服役结构的各阶固有振动信息运用FFT技术将结构的时间域振动信号转换为频率域的幅值频率曲线；
步骤二、结构损伤评判阶段：
结合经技术处理后所得幅值频率曲线，以“乐音准则”作为结构损伤的判断基准来判断结构的状态，当结构的各固有频率比呈比例分布时，结构无损伤，反之结构存在损伤；所述的“乐音准则”指在音乐中，泛音的频率与基音的频率具有确定的倍数关系。
本发明的有益效果是：本发明方法不依赖结构的原始动力特性，以乐音准则作为结构损伤的判别准则，免去测试前的复杂的结构调研工作，实施起来方便快捷，检测成本低廉。该方法具有实践性强、分析简单、成本低廉等优势。所述方法能是定性测试出建筑结构是否有损伤。本发明方法适用于均匀、规则的一维和二维工程结构，如壳体、筒形的结构或结构构件。
本发明的具体优点为：
1、解决了结构健康基准缺失的问题。提出用于工程结构损伤识别的“乐音准则”作为结构健康基准，结构损伤与否可明确判断。
2、工程实用性强，对拟测工程结构的现场条件要求低，无需对检测的结构进行特别的加、卸载处理，可采用既有的振动测试设备，测试周期设备成本时间、成本低，经济效果好。
附图说明
图1为完好钢壳体结构的频谱图(符合乐音准则)，图2为有损伤钢壳体的频谱图(与乐音准则差别大)。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式所述的用乐音准则进行结构损伤诊断的方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、结构振动信息获取及技术处理阶段：
在服役结构上施加一定形式的振动激励使服役结构产生振动，通过设置在服役结构上的传感器及配套的传输、采集、存储设备，记录结构的时间历程的振动信息；
将获得服役结构的各阶固有振动信息(频率信息)运用FFT(傅立叶变换)技术将结构的时间域振动信号转换为频率域的幅值频率曲线；
步骤二、结构损伤评判阶段：
结合经技术处理后所得幅值频率曲线，以“乐音准则”作为结构损伤的判断基准来判断结构的状态(状态是指结构是否有损伤)，当结构的各固有频率比呈比例分布时，结构无损伤，反之结构可能存在损伤。
本发明所述的“乐音准则”原指在音乐中，泛音的频率与基音的频率具有确定的倍数关系(一般为2的倍数)，例如通常基音(do)的频率为440Hz，则re为880Hz，mi为1760Hz，fa为2489Hz，so为4978Hz等等。符合此规律的音节组合听起来清脆悦耳，反之则短促刺耳。与此类似，无损伤的一维和二维均匀、规则结构中结构整体的振动信号谱线清晰、规则(按比例)排列。本发明中结构损伤诊断的“乐音准则”法是指没有损伤的结构其各阶固有频率比唯一确定，以此频率比为结构健康基准，不同的损伤对应着固有频率比与乐音准则偏离程度大小。
结构振动信息获取及技术处理阶段：指通过施加一定形式的振动激励使结构产生振动，通过设置在结构上的传感器及配套的传输、采集、存储设备，记录结构的时间历程的振动信息。这里的“一定形式的振动激励”应根据工程情况取用，例如，可采用锤击、重物坠落等冲击方式的脉冲激励；采用激振器进行白噪声输入或正弦扫频激励；利用待测结构附近既有生产设备使结构产生振动；直接采集结构上的脉动信号等等。“技术处理”的目的是获得结构的各阶固有频率信息，信息处理的最基本方法是运用FFT(傅立叶变换)技术将结构的时间域振动信号转换为频率域的幅值频率曲线。也可用其它信号处理技术替代FFT技术，如自功率谱分析、信号的小波变换、S变换等。
结合技术处理所得幅值频率曲线，按照“乐音准则”，判断结构的状态，当结构的各固有频率比呈比例分布时，结构无损伤，反之结构可能存在损伤(对比图1和图2)。
具体实施方式二：如图1和2所示，本实施方式在步骤一中振动激励的形式是采用锤击或重物坠落的冲击方式的脉冲激励。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1和2所示，本实施方式在步骤二中所述的“乐音准则”指在音乐中，泛音的频率与基音的频率具有确定的倍数关系。其它步骤与具体实施方式一相同。

Claims (2)

1.一种用乐音准则进行结构损伤诊断的方法，其特征在于：所述方法适用于均匀、规则的一维和二维工程结构；所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤一、结构振动信息获取及技术处理阶段：
在服役结构上施加一定形式的振动激励使服役结构产生振动，通过设置在服役结构上的传感器及配套的传输、采集、存储设备，记录结构的时间历程的振动信息；
将获得服役结构的各阶固有振动信息运用FFT技术将结构的时间域振动信号转换为频率域的幅值频率曲线；
步骤二、结构损伤评判阶段：
结合经技术处理后所得幅值频率曲线，以“乐音准则”作为结构损伤的判断基准来判断结构的状态，当结构的各固有频率比呈比例分布时，结构无损伤，反之结构存在损伤；所述的“乐音准则”指在音乐中，泛音的频率与基音的频率具有确定的倍数关系。
2.根据权利要求1所述的用乐音准则进行结构损伤诊断的方法，其特征在于：在步骤一中振动激励的形式是采用锤击或重物坠落的冲击方式的脉冲激励。
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