CN102288402A - 一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，该方法的步骤是：(1)在阻尼器上可靠连接位移传感器和力传感器，数据采集设备将信号转换成数字信号输入到计算机上；(2)数据采集设备同步、不间断采集位移传感器和力传感器的数据信号，按时间顺序将这些点连接成一条滞回环曲线；(3)在滞回环曲线上寻找并记录一个单圈滞回环，将单圈滞回环的力对位移积分；(4)以统计学方法计算等效阻尼比的变异性并作为监测阻尼器滞回性能的依据。本发明方法能够实时或定期测定轴向工作的阻尼器的滞回性能，掌握性能的变异性，为保证建筑结构的安全性和舒适性提供了重要的监测数据，也可以通过对阻尼器在工程应用中的性能表现，指导后续工程阻尼器的设计。

Description

一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法

技术领域

本发明是一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，属于土木工程及土木结构技术领域，该方法能有效监测阻尼器的滞回性能，保障阻尼器为结构有效增加阻尼。

背景技术

被动耗能阻尼器在建筑领域的研究和应用起源于上世纪70年代，该设备为结构提供的阻尼比大、减振能力强，一直备受工程青睐。但是，由于被动耗能阻尼器(尤其是粘滞阻尼器、摩擦阻尼器)工作过程为能量转换过程，将结构动能转为内能耗散，工作过程中内力大，生热大，设备安全性、稳定性一直是工程界所关注的问题，工程中常有由于应用环境改变或与设计不符，造成诸如粘滞阻尼器密封圈失效或粘滞液体离析，使粘滞阻尼器滞回性能下降，不能满足当初设计者的要求，严重者会漏油污染环境、爆缸威胁建筑及人员安全；摩擦阻尼器失效会增加结构安全隐患。通常，建筑工程中阻尼器往往是安装在墙体内或比较隐蔽的部位，检修人员很难进行常规检查，即使检查，也常以目测为主，不够专业和完善，更有甚者对阻尼器安装后的性能无人问津，对阻尼器自身安全性及结构安全性有较大不利影响。

重大桥梁偶有利用传感技术测定阻尼器工作状态，主要是针对安全状态。常规建筑中应用的被动耗能阻尼器基本没有自动监测自身滞回性能的功能。

发明内容

本发明正针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，其目的是实现自动监测阻尼器滞回性能，保证其安全、可靠地运行。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)在阻尼器上可靠连接位移传感器和力传感器，位移传感器和力传感器的数据输出线连接数据采集设备，数据采集设备将信号转换成数字信号输入到计算机上；

(2)数据采集设备同步、不间断采集位移传感器和力传感器的数据信号，在计算机上建立以位移作横轴，力作纵轴的平面直角坐标系，将同一时刻采集到的位移传感器和力传感器的数据作为上述平面直角坐标系中的一个点，按时间顺序将这些点连接成一条滞回环曲线；

(3)在滞回环曲线上寻找并记录一个位移从非负值变负值的位置Ⅰ，从该位置按时间顺序沿滞回环曲线寻找并记录下一个从非负值变负值的位置Ⅱ，将非负值变负值的位置Ⅰ和位置Ⅱ为边界的滞回环曲线定义为单圈滞回环，将单圈滞回环的力对位移积分，求出单圈滞回环的面积，公式如下：

$E={\∫}_{U_I}^{U_{\mathrm{II}}}F\left(U\right)\mathrm{dU}=\underset{i=i_I}{\overset{i_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\mathrm{\Δ}{U}_i$ 式1

式中：

E——单圈滞回环面积；

i_Ⅰ和i_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的点编号；

F——力传感器的力值；

U_Ⅰ和U_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的位移；

ΔU_i——单圈滞回环中第i步的位移差，U_i+1-U_i。

提取单圈滞回环的最大力与最小力的绝对值取平均构成平均力

最大位移与最小位移的绝对值取平均构成平均位移

通过下式得到单圈滞回环的应变能W：

$W=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{F}\stackrel{\‾}{U}$ 式2

通过单圈滞回环的面积和应变能求出等效阻尼比ξ，公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\frac{E}{4\mathrm{\πW}}$ 式3

(4)按上述步骤(3)的方法和过程，构成连续的多个单圈滞回环，并分别计算求出单圈滞回环的等效阻尼比，以统计学方法计算等效阻尼比的变异性并作为监测阻尼器滞回性能的依据，等效阻尼比的计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{p+1}-{\mathrm{\ξ}}_p}{{\mathrm{\ξ}}_p}\×100\%$ 式4

式中：ε_p——第p圈滞回性能变异系数。

阻尼器的滞回性能可以通过单圈滞回环面积、等效阻尼比等指标评价。单圈滞回环面积表达阻尼器工作一个周期内消耗的能量，是绝对物理量，因外界激励不同而不同，不易评价阻尼器的固有特性；等效阻尼比是无量纲物理量，能够较准确表达阻尼器的固有特性。在实时监测过程中，外界激励是随时变化的，应选择能够表达阻尼器固有特性的指标来评价滞回性能；且外界激励是随机量，得到的采集数据有较大随机性，以统计学方法计算等效阻尼比稳定性较强，能够较准确估计阻尼器的滞回性能。

本发明技术的优点是：

本发明方法能够实时或定期测定轴向工作的阻尼器的滞回性能，掌握性能的变异性，为保证建筑结构的安全性和舒适性提供了重要的监测数据，也可以通过对阻尼器在工程应用中的性能表现，指导后续工程阻尼器的设计。

附图说明

图1为本发明方法的实施装置结构的整体示意图

图2为本发明方法中滞回环及单圈滞回环的选取的示意图

图3为本发明方法的软件流程图

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

参见附图1～3所示，该种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)在阻尼器1上可靠连接位移传感器3和力传感器2，在活塞杆上安装能够敏感活塞杆拉压力的力传感器2，在活塞杆和圆筒形缸体之间安装能够敏感两者轴向相对位移的位移传感器3，位移传感器3和力传感器2的数据输出线4连接数据采集设备5，数据采集设备5将信号转换成数字信号输入到计算机6上；

以下步骤通过软件编程来实现的，该软件存储在计算机6内，以完成本发明方法的控制和计算过程，其内容和过程按顺序如下：

(2)数据采集设备5同步、不间断采集位移传感器3和力传感器2的数据信号，在计算机6上建立以位移作横轴，力作纵轴的平面直角坐标系，将同一时刻采集到的位移传感器3和力传感器2的数据作为上述平面直角坐标系中的一个点，按时间顺序将这些点连接成一条滞回环曲线7，该步骤对应于软件流程中的a；

(3)在滞回环曲线7上寻找并记录一个位移从非负值变负值的位置Ⅰ8，从该位置按时间顺序沿滞回环曲线7寻找并记录下一个从非负值变负值的位置Ⅱ9，将非负值变负值的位置Ⅰ和位置Ⅱ为边界的滞回环曲线7定义为单圈滞回环10，将单圈滞回环10的力对位移积分，求出单圈滞回环10的面积，公式如下：

$E={\∫}_{U_I}^{U_{\mathrm{II}}}F\left(U\right)\mathrm{dU}=\underset{i=i_I}{\overset{i_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\mathrm{\Δ}{U}_i$ 式1

式中：

E——单圈滞回环面积；

i_Ⅰ和i_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的点编号；

F——力传感器的力值；

U_Ⅰ和U_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的位移；

ΔU_i——单圈滞回环中第i步的位移差，U_i+1-U_i。

提取单圈滞回环10的最大力与最小力的绝对值取平均构成平均力

最大位移与最小位移的绝对值取平均构成平均位移

通过下式得到单圈滞回环10的应变能W：

$W=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{F}\stackrel{\‾}{U}$ 式2

通过单圈滞回环10的面积和应变能求出等效阻尼比ξ，公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\frac{E}{4\mathrm{\πW}}$ 式3

该步骤对应于软件流程中的b～g；

(4)按上述步骤(3)的方法和过程，构成连续的多个单圈滞回环10，并分别计算求出单圈滞回环10的等效阻尼比，以统计学方法计算等效阻尼比的变异性并作为监测阻尼器滞回性能的依据，等效阻尼比的计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{p_2}-{\mathrm{\ξ}}_{p_1}}{{\mathrm{\ξ}}_{p_1}}\×100\%$ 式4

${\mathrm{\ξ}}_{p_1}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2+\·\·\·{\mathrm{\ξ}}_{i_1-1}+{\mathrm{\ξ}}_{i_1+1}\·\·\·+{\mathrm{\ξ}}_{i_2-1}+{\mathrm{\ξ}}_{i_2+1}+\·\·\·+{\mathrm{\ξ}}_p}{p-2}$ 式5

${\mathrm{\ξ}}_{p_2}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{p+1}+{\mathrm{\ξ}}_{p+2}+\·\·\·{\mathrm{\ξ}}_{i_3-1}+{\mathrm{\ξ}}_{i_3+1}\·\·\·+{\mathrm{\ξ}}_{i_4-1}+{\mathrm{\ξ}}_{i_4+1}+\·\·\·+{\mathrm{\ξ}}_{2p}}{p-2}$ 式6

式中：

p——用于计算平均等效阻尼比的滞回环圈数，建议不小于5；

ε_p——第p圈滞回性能变异系数；

——前p圈内ξ的最小值和最大值；

后p圈内ξ的最小值和最大值；

——前p-2圈滞回环的等效阻尼比的平均值；

后的p-2圈滞回环的等效阻尼比的平均值；

该步骤对应于软件流程中的e～h。

定义ε_p≤5％表示阻尼器滞回性能稳定；定义5％＜ε_p≤15％表示阻尼器滞回性能发生变化，建议进行温度、漏油等常规检查；ε_p＞15％表示阻尼器滞回性能发生严重变化，建议及时采取补救措施，如情节严重应更换阻尼器。

该步骤对应于软件流程中的i。

与现有技术相比，本发明技术方案提出了自动监测阻尼器滞回性能的方法，解决了实际工程中应对传感器采集数据过于随机和离散的数据处理技术，提高了建筑运营管理者对阻尼器性能以及建筑结构性能的了解程度。

Claims (1)

1.一种实时或定期监测阻尼器滞回性能的方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)在阻尼器(1)上可靠连接位移传感器(3)和力传感器(2)，位移传感器(3)和力传感器(2)的数据输出线(4)连接数据采集设备(5)，数据采集设备(5)将信号转换成数字信号输入到计算机(6)上；

(2)数据采集设备(5)同步、不间断采集位移传感器(3)和力传感器(2)的数据信号，在计算机(6)上建立以位移作横轴，力作纵轴的平面直角坐标系，将同一时刻采集到的位移传感器(3)和力传感器(2)的数据作为上述平面直角坐标系中的一个点，按时间顺序将这些点连接成一条滞回环曲线(7)；

(3)在滞回环曲线(7)上寻找并记录一个位移从非负值变负值的位置Ⅰ(8)，从该位置按时间顺序沿滞回环曲线(7)寻找并记录下一个从非负值变负值的位置Ⅱ(9)，将非负值变负值的位置Ⅰ和位置Ⅱ为边界的滞回环曲线(7)定义为单圈滞回环(10)，将单圈滞回环(10)的力对位移积分，求出单圈滞回环(10)的面积，公式如下：

$E={\∫}_{U_I}^{U_{\mathrm{II}}}F\left(U\right)\mathrm{dU}=\underset{i=i_I}{\overset{i_{\mathrm{II}}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i\mathrm{\Δ}{U}_i$ 式1

式中：

E——单圈滞回环面积；

i_Ⅰ和i_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的点编号；

F——力传感器的力值；

U_Ⅰ和U_Ⅱ——位置Ⅰ和位置Ⅱ的位移；

ΔU_i——单圈滞回环中第i步的位移差，U_i+1-U_i。

提取单圈滞回环(10)的最大力与最小力的绝对值取平均构成平均力

最大位移与最小位移的绝对值取平均构成平均位移通过下式得到单圈滞回环(10)的应变能W：

$W=\frac{1}{2}\stackrel{\‾}{F}\stackrel{\‾}{U}$ 式2

通过单圈滞回环(10)的面积和应变能求出等效阻尼比ξ，公式如下：

$\mathrm{\ξ}=\frac{E}{4\mathrm{\πW}}$ 式3

(4)按上述步骤(3)的方法和过程，构成连续的多个单圈滞回环(10)，并分别计算求出单圈滞回环(10)的等效阻尼比，以统计学方法计算等效阻尼比的变异性并作为监测阻尼器滞回性能的依据，等效阻尼比的计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{{\mathrm{\ξ}}_{p+1}-{\mathrm{\ξ}}_p}{{\mathrm{\ξ}}_p}\×100\%$ 式4

式中：ε_p——第p圈滞回性能变异系数。

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