CN102645488A

CN102645488A - 一种钢屋架损伤诊断器

Info

Publication number: CN102645488A
Application number: CN201210129197XA
Authority: CN
Inventors: 杨秋伟; 孙斌祥; 杨丽君
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: University of Shaoxing
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明公开了一种钢屋架损伤诊断器，包括一可对称固定夹持钢屋架节点并可拆卸的附加质量块，可测量附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率信息的动态数据采集系统，以及安装有钢屋架损伤诊断程序模块、输入所测频率信息即可输出损伤参数的智能处理器。本技术方案具有操作方便，附加质量块能重复使用，设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作等优点，能够获得足够多的频率信息来满足损伤诊断的需要，易于操作、便于携带，且便于多点采集，检测、诊断的准确性较高。

Description

一种钢屋架损伤诊断器

技术领域

本发明属于土木工程学科的结构破损诊断领域，涉及一种钢屋架损伤诊断器。

背景技术

钢屋架结构在许多工业及民用建筑中广泛应用。由于服役年限的增长，以及环境腐蚀、灾害荷载等的影响，钢屋架倒塌的事故已时有发生，迫切需要对其损伤状况作出及时的诊断，以便于维修加固避免灾难性的后果发生。

传统的损伤诊断方法多是可视的局部的实验方法，如超声波方法、磁场方法、温度场方法等。这些方法一般要求事先大概知道损伤位置且被检测部位设备可以到达，因此工作量大耗费高，且不适用于大型土木工程结构的损伤诊断。

利用钢屋架结构振动参数的变化来判断其损伤状况的方法是目前的一种新技术。这种技术通过采集结构损伤前后的振动参数，并结合结构的有限元模型来判断结构是否发生损伤，损伤的位置及程度。

其中，采集尽可能多的振动参数是上述新诊断技术的关键环节。通常，钢屋架结构的振动参数包括频率和振型，频率的测量只需要布置一个测点即可进行，易于操作且精度很高；而振型的测量需要在结构上布置大量的测点并通过大量的导线和数据采集仪器相连，实施起来十分困难且测量精度较低。因此，频率便成为损伤诊断中最广泛使用的参数。但是目前工程实践的现有技术中，只能采集到少数几个低阶频率参数，很多情况下不能满足钢屋架结构损伤诊断的需要。

有鉴于此，本发明人结合从事钢屋架结构领域研究工作多年的经验，对上述技术领域的缺陷进行长期研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种结构简单、成本低廉的钢屋架损伤诊断器，不会影响钢屋架的正常工作，易于操作、便于携带，且便于多点采集，检测、诊断的准确性较高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种钢屋架损伤诊断器，包括一可对称固定夹持钢屋架节点并可拆卸的附加质量块，可测量附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率信息的动态数据采集系统，以及安装有钢屋架损伤诊断程序模块、输入所测频率信息即可输出损伤参数的智能处理器。

所述钢屋架损伤诊断程序模块包括如下模块：可用数值分析软件建立待检测钢屋架结构的有限元模型的基础模块，根据有限元模型可计算出钢屋架损伤前的频率及相应的频率灵敏度从而建立钢屋架的频率灵敏度方程的计算模块，将测量所得的频率信息输入频率灵敏度方程中求解出钢屋架各单元的损伤参数的诊断模块，将计算所得的损伤参数输出的输出模块。

进一步，所述附加质量块包括两块完全相同的正方形铁板，铁板的尺寸根据钢屋架节点的大小而定，两块铁板对称将钢屋架节点夹在中间并通过四角处4颗相同的安装螺丝加以固定，两块铁板和4颗安装螺丝共同构成附加质量块。从而操作方便，附加质量块能重复使用，设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作，利于方便、准确的采集数据等。

进一步，所述动态数据采集系统包括一个无线传感器和一台无线动态数据采集仪，传感器固定安装于附加质量块中的一块正方形铁板中心位置。从而数据采集更加方便、准确，而成本低廉，且又不影响钢屋架的正常工作；其无线传感器固定安装于附加质量块中的一块铁板上，避免了已有技术中需要将传感器安装于工程结构上的缺陷，容易实施，且可多次重复使用于不同的钢屋架结构中。

应用附加质量块采集钢屋架振动的低阶频率过程如下：首先任意选取钢屋架中的某个节点并将上述附加质量块安装于该节点上，测量出此时钢屋架振动的低阶频率；然后更换附加质量块的安装位置（即另外选取其它节点将附加质量块安装其上），并测量出新的安装位置所对应的钢屋架振动低阶频率；重复上述过程，直到测量出足够数目的频率信息为止。本技术方案能够获得更多频率信息的原理在于：安装附加质量块后钢屋架的振动特性将发生明显改变，且不同的安装位置将会引起不同的振动特性改变。没有安装附加质量的钢屋架，其振动频率数目是一个确定值。而安装了附加质量块的钢屋架，附加质量块的安装位置每更换一次，都可以测量获得和未安装附加质量钢屋架同样数目的频率参数。因此，随着附加质量块安装位置的变化，测量所得的频率数目将会成倍增长，直到满足损伤诊断所需要的频率数目为止。

本发明的有益成果为：第一，本技术方案采用安装拆卸方便的附加质量块，可与节点固定紧密，且不改变结构模型的拓扑结构；第二，通过变换附加质量块的安装位置，可方便地获得足够多的频率信息以满足损伤诊断的需要，克服了现有方法频率信息量不足的缺陷；第三，本技术方案具有操作方便，附加质量块和动态数据采集系统能重复使用；第四，本技术方案的设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作；第五，采用本技术方案能够方便的获得足够多的频率信息来满足损伤诊断的需要，从而使损伤诊断的准确性较高；第六，采用本技术方案中的钢屋架损伤诊断程序，诊断简单、方便，且准确性较高。

为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的附加质量块和动态数据采集系统示意图。其中图中1是正方形铁板；2是安装螺丝；1和2共同组成附加质量块；3是无线传感器；4是动态数据采集仪；5是钢屋架节点；6是钢屋架杆件。

图2是一个待检测的平面钢屋架模型，其中图中1-12为钢屋架节点、（1）-（23）为钢屋架杆件。

图3是仅输入原钢屋架（附加质量前）振动频率的损伤诊断结果；

图4是将附加质量后钢屋架振动频率一并输入诊断程序后所得的诊断结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施进一步详细的描述。

如图1所示，图1为本发明中的附加质量块示意图。所述的附加质量块包括两块相同的正方形铁板1和4颗相同的安装螺丝2，安装时两块铁板对称将钢屋架节点夹在中间，用4颗安装螺丝固定。两块铁板和4颗安装螺丝共同构成附加质量块。本实施例中附加质量块的正方形铁板1的边长为500mm，厚度为20mm，所述的铁板四角处开设有4个安装孔，所述的安装孔为螺纹孔，均为直径16mm的圆孔。所述的安装螺丝2为圆柱形，长500mm，直径为16mm。从而操作方便，附加质量块能重复使用，设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作，利于方便、准确的采集数据等。

动态数据采集系统包括一个无线传感器一台动态数据采集仪器，传感器固定安装于附加质量块中的一块正方形铁板中心位置。传感器3采用无线加速度传感器，粘贴安装于正方形铁板1上。动态数据采集仪4采用无线动态数据采集仪，能够输出振动频率信息。该设备可从市场上购买。从而数据采集更加方便、准确，而成本低廉，且又不影响钢屋架的正常工作；其无线传感器固定安装于附加质量块中的一块铁板上，避免了已有技术中需要将传感器安装于工程结构上的缺陷，容易实施，且可多次重复使用于不同的钢屋架结构中。

还包括安装有钢屋架损伤诊断程序模块、输入所测频率信息即可输出损伤参数的智能处理器。钢屋架损伤诊断程序模块包括如下模块：可用数值分析软件建立待检测钢屋架结构的有限元模型的基础模块，根据有限元模型可计算出钢屋架损伤前的频率及相应的频率灵敏度从而建立钢屋架的频率灵敏度方程的计算模块，将测量所得的频率信息输入频率灵敏度方程中求解出钢屋架各单元的损伤参数的诊断模块，将计算所得的损伤参数输出的输出模块。该智能处理器可以是较为复杂高级的，如笔记本电脑或平板电脑，也可以是其他较为简单的仅安装有上述模块的电路板，只要能够实现上述功能即可。由于便携式电脑或者烧制有上述模块的电路板，均是电子元器件领域的常见技术，此处就不再赘述。

图2是一个待检测的平面钢屋架模型，该结构基本参数为：弹性模量

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE002

，密度

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE004

，每根杆件长度

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE006

，杆件横截面为正方形，横截面面积

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE008

。

利用本技术方案对图2所示的平面钢屋架进行频率检测的方式如下：首先，在图2钢屋架的节点2上安装可拆卸的附加质量块（1+2）；其次，利用动态数据采集系统（3+4）测量附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率；第三，拆除附加质量块，将其安装于钢屋架的节点3处，继续利用动态数据采集系统测量附加质量后钢屋架的振动频率；第四，重复以上过程，直到获得足够多的能够满足损伤诊断要求的频率信息为止；第五，将测量所得的频率信息输入安装有钢屋架损伤诊断程序模块的智能控制器，根据输出的损伤参数即可得出钢屋架损伤位置及程度的诊断结果。

智能控制器运用钢屋架损伤诊断程序模块的具体工作流程如下：首先，利用基础模块，用数值分析软件建立待检测钢屋架结构的有限元模型；然后，通过计算模块，根据有限元模型计算出钢屋架损伤前的频率及相应的频率灵敏度，从而建立钢屋架的频率灵敏度方程；最后，通过诊断模块，将测量所得的频率信息输入频率灵敏度方程中求解出钢屋架各单元的损伤参数，并利用输出模块将计算所得的损伤参数输出，即可对钢屋架的损伤位置及程度做出诊断。所述程序模块中所用到的公式详述如下：

首先，用数值分析软件建立起待检测钢屋架的有限元模型(该模型代表完好的钢屋架结构)，设所建立的模型的质量和刚度矩阵分别为和，求解下列广义特征值方程可以得到该模型的振动频率：

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE014

(1)

其中

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE016

和

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE018

分别是第个特征值(固有振动频率)和特征向量(振型)。钢屋架损伤一般都是刚度的损失，而其质量矩阵

在损伤前后不变，则第

个特征值的一阶灵敏度计算公式为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE022

(2)

其中

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE024

是钢屋架有限元模型中第

个单元的损伤参数。设测量所得的实际钢屋架的第

个振动频率为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE028

，将其和由方程(1)计算所得的频率相减即可得到第

个频率的变化量

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE030

(3)

利用Taylor级数展开，

可以近似表示为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE034

(4)

其中

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE036

为钢屋架有限元模型的单元总数。若总共测量了

个低阶固有频率，可把其灵敏度方程写成矩阵形式：

(5)

其中

为灵敏度矩阵，即

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE044

(6)

由上述叙述可见，若不采用本案所提的附加质量块，则对钢屋架最多只能由测量所得的

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE046

个低阶固有频率建立起

个方程(即方程(5))，很难满足损伤诊断的需要。

为了获得更多的频率信息，可以在钢屋架上附加本案所提的质量块，测量出附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率，再采用由方程(1)-(6)相同的推导过程，建立起附加质量后钢屋架新的频率灵敏度方程。详述如下：

设在钢屋架上附加质量块以后，由附加的集中质量块便可组成新的质量矩阵

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE048

(这些质量块都附加于原钢屋架有限元模型的节点上，这样可以保持有限元模型的刚度矩阵和质量矩阵的维数不变)，附加质量后的广义特征值方程变为：

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE050

(7)

其中

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE052

和

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE054

分别为附加质量后钢屋架的第个频率和振型。

的一阶灵敏度公式为

(8)

测量附加质量块后实际钢屋架振动的频率信息

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE058

，我们可以得到该附加质量系统损伤前后的频率改变量为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE060

,

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE062

(9)

同样测量前

个低阶频率，我们可以得到附加质量后钢屋架的频率灵敏度方程为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE064

(11)

其中新的灵敏度矩阵

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE066

为

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE068

(12)

由上述分析可见，附加质量以后，可以测量得到新的

个频率，若将附加质量块的安装位置更换一次，则又可以得到

个新的频率参数。如此反复，便可以获得满足损伤诊断要求的频率信息为止。将附加质量系统的频率灵敏度方程和原系统的频率灵敏度方程联合起来，即将方程(5)和方程(11)联立可得

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE070

(13)

其中

(14)

Figure 201210129197X100002DEST_PATH_IMAGE074

(15)

由方程(13)可以计算出钢屋架各单元损伤参数值，即

(16)

利用上述公式及推导过程，我们可以编制钢屋架损伤诊断程序，将测量所得的钢屋架振动低阶频率()作为输入参数，将钢屋架各单元损伤参数作为输出参数，即可根据输出数值判断出钢屋架的损伤位置及损伤程度。

为了说明本案所提方法的先进性，我们将附加质量前后钢屋架的损伤诊断结果列于图3和图4中。图3是仅输入原钢屋架（附加质量前）振动频率的损伤诊断结果。图4是将附加质量后钢屋架振动频率一并输入诊断程序后所得的诊断结果。由图3可见，未采用附加质量，而仅将原钢屋架振动频率输入诊断程序所得的诊断结果并不能准确的诊断出杆件10发生损伤。而由图4可见，将附加质量后钢屋架振动频率输入诊断系统后所得的诊断结果清楚的表明杆件10发生损伤，且损伤参数值为19.5%，和假设值20%非常接近，表明了本案所提的钢屋架损伤诊断器是准确可靠的，具有明显的先进性。

采用本技术方案，还具有如下优点：首先，本技术方案采用安装拆卸方便的附加质量块，可与节点固定紧密，且不改变结构模型的拓扑结构；其次，本技术方案具有操作方便，附加质量块能重复使用，设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作等优点；第三，通过变换附加质量块的安装位置，可方便地获得足够多的频率信息以满足损伤诊断的需要，克服了现有方法频率信息量不足的缺陷；第四，本技术方案具有操作方便，附加质量块和动态数据采集系统能重复使用；第五，本技术方案的设备简单实施成本低，且不影响钢屋架的正常工作；第六，采用本技术方案能够方便的获得足够多的频率信息来满足损伤诊断的需要，从而使损伤诊断的准确性较高；第七，采用本技术方案中的钢屋架损伤诊断程序，诊断简单、方便，且准确性较高。

采用上述方案，通过在钢屋架上附加质量块，并由动态数据测量系统测量附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率，再由钢屋架的有限元模型计算其频率灵敏度，最后根据测量所得的频率改变量和频率灵敏度方程即可算出钢屋架各单元的损伤参数，据此便可对钢屋架的损伤位置及程度做出诊断。本案所提的技术方案，只需要一个无线传感器，且传感器安装在附加质量块上，避免了现有方法传感器要安装于结构上的缺陷，易于操作实施，而且能获得比原钢屋架结构更多的频率信息用于损伤诊断中，能够大幅度提高损伤诊断的准确度；采用本技术方案中的钢屋架损伤诊断程序，诊断简单、方便，且准确性较高。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims

1.一种钢屋架损伤诊断器，其特征在于：包括一可对称固定夹持钢屋架节点并可拆卸的附加质量块，可测量附加质量后钢屋架振动的低阶固有频率信息的动态数据采集系统，以及安装有钢屋架损伤诊断程序模块、输入所测频率信息即可输出损伤参数的智能处理器；

2.如权利要求1所述的一种钢屋架损伤诊断器，其特征在于：所述附加质量块包括两块完全相同的正方形铁板，铁板的尺寸根据钢屋架节点的大小而定，两块铁板对称将钢屋架节点夹在中间并通过四角处4颗相同的安装螺丝加以固定，两块铁板和4颗安装螺丝共同构成附加质量块。

3.如权利要求2所述的一种钢屋架损伤诊断器，其特征在于：所述动态数据采集系统包括一个无线传感器和一台无线动态数据采集仪，传感器固定安装于附加质量块中的一块正方形铁板中心位置。