CN102841140B - 一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法，首先由布置在结构体内的传感器采集结构健康状态下的振动响应，并按照不同的运行条件分别进行存储；其次，构建波形判断参数和构建损伤指标；最后，对泄流结构进行实时监测，观察其动态振动波形的特性，同时实时计算各统计时段内的波形判断参数，并与相应运行工况下健康结构的指标值进行对比，求得损伤指标，从而判断结构的运行状态。该方法利用在泄流结构上安装传感器的方法进行监测，具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低的特点；运行时可实现远程控制，在线实时监测拱坝的动态安全指标或离线对数据进行详细分析。

Description

一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，更具体地说，涉及水利水电工程中的泄流结构自动监测技术领域，是一种基于结构随机共振理论的智能动态监测方法。

背景技术

在水利工程中，泄流结构的工作条件极其复杂，由于水流的强烈紊动，产生的脉动压力作用在结构物上，极有可能造成结构物的强烈振动，甚至导致结构的破坏。为此，必须寻找有效的监测方法，以快速、准确地发现泄流结构中存在的隐患，有效预报其安全状况。目前对于泄流结构的监测主要有以变形监测、渗流渗压监测、应力应变监测、缝隙开合度监测、温度监测等为主的静态、准静态监测，以及以功率谱主频、振动幅值、峰度系数、偏态系数、振幅比系数等为主的动态实时监测。静态或准静态监测的观测仪器一般都是在施工期预埋泄流结构体内，受基准点变化和仪器监测范围的影响，不能很好地反映泄流结构运行过程中出现的损伤情况；动态实时监测在一定程度上弥补了静态监测的不足，但是现有的动态监测指标不能很好地反映结构所处的运行状态。例如，由于结构的振动特性往往是未知的，其响应功率谱的主频不一定是结构自身的工作频率，直接通过主频指标不能准确地反映泄流结构的工作状态；在损伤初期，其振动幅值一般不会超过允许的上限值；此外，峰度系数和偏态系数反映的是振动偏离正态分布的程度，而振幅比系数反映振动的突变情况，试验证明，当损伤发生后，结构的振动响应通常仍会满足正态分布，并且泄流结构的损伤往往是疲劳破坏过程，响应中不会发生明显的突变现象，因此上述指标对损伤情况并不直观、敏感。因此，对泄流结构的运行状态进行实时监测，就亟需提出一个简单、直观、敏感的新监测指标，完善现有的动态监测指标体系，使其能够实时地监测泄流结构的运行状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种泄流结构损伤监测的方法。该方法利用在泄流结构上安装传感器的方法进行监测，具有形式简单、施工方便、易于维护、工程造价低的特点；运行时可实现远程控制，在线实时监测动态安全指标或离线对数据进行详细分析。当所构建的指标超标时，系统可以根据实测信号特征给出预警信息，工作人员可以快速地判断出泄流结构是否发生损伤，进而配合其他监测方法，找到损伤发生的位置，识别其破坏程度。

本发明提出泄流结构随机共振的概念：当泄流结构的工作频率位于水流荷载主频带的范围内时，在水流荷载作用下，结构将发生共振现象，其振动响应表现为窄带波形，由于水流荷载是具有一定带宽的低频随机荷载，其能量在时-频域上的分布会不断发生变化，因此这种共振与传统的谐波激励所产生的共振现象不同，本发明定义这种现象为随机共振。泄流结构水流荷载激励下产生的随机共振波形如图1所示。与随机共振现象不同，当泄流结构的工作频率远离水流荷载主频带范围时，结构的振动形式体现为以水流荷载作用下的受迫振动，是一种宽带随机振动现象，如图2所示。在相同的运行条件下，水流荷载的频谱特性是相同的，泄流结构上某一点的振动响应形式仅与结构自身特性有关。在长期荷载作用下，泄流结构会出现疲劳破坏，会引起其固有频率的降低，进而使结构振动响应的形式发生变化。因此，在相同的运行条件下，结构前后监测到的振动响应形式发生变化必然预示着结构损伤的发生。

本发明的技术方案为完善当前泄流结构在线监测指标体系，在研究泄流结构随机共振的基础上，提出了一种基于随机共振的泄流结构损伤在线实时监测方法。

首先由布置在泄流结构的传感器采集该结构在健康状态下的振动响应，并按照不同的运行条件分别进行存储，即采集泄流结构在不同水流荷载下的振动响应；

其次，分析采样时段T内，泄流结构在健康状态下的振动波形，初步判断振动响应的类型，即泄流结构在水流荷载下的振动相应属于随机共振响应还是宽带受迫振动响应；

第三，构建波形判断参数C

$C=\frac{N_1}{N_2}$

其中N₁是统计采样时段T内振动响应的极大值的总数，如附图1和2中用2表示的极大值；N₂是统计采样时段T内振动响应波形正向穿越零点的总次数，如附图1和2中用1表示的穿越零点的位置，即定义振动响应波形以正斜率穿越y＝0时为正向穿越零点；

构建损伤指标η

$\mathrm{\η}=\frac{|C^d-C^u|}{C^u}\×100\%$

其中C^u为泄流结构在健康状态和不同水流荷载下的波形判断参数，C^d为泄流结构在相应水流荷载下的波形判断参数；

最后，对泄流结构进行实时监测，观察其动态振动波形的特性，同时实时计算各统计时段T内的C值，并与相应运行工况下健康结构的指标值进行对比，求得损伤指标η，当η≥10％时，即可判断泄流结构在水流荷载下出现损伤，从而判断结构的运行状态。

在本发明的技术方案中，对于采集的泄流结构的振动波形可使用去均值方式进行处理后，再根据得到的波形获得波形判断参数C和损伤指标η。泄流结构的流激振动都是围绕在平衡位置附近的微幅振动。然而，由于施工质量以及传感器工作条件的复杂性，可能使一些传感器的采集数据偏离了平衡位置，与实际不符合，因此需要进行去均值化处理，去均值的方法可采用如下方式：数据序列中的每个数减去这个序列的均值，公式如下：

$X=\left\{x_i\right\}=y_i-\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i}{N}$

式中，{y_i}是去均值前的振动响应，N是采样时段内的数据总个数，X＝{x_i}是去均值后的振动响应。

在本发明的技术方案中，预先在泄流结构的不同位置下预设传感器，然后在泄流结构健康条件下采集不同水流荷载工况下的振动响应，最后对泄流结构进行实时检测，计算其在相应工况下的波形判断参数和损伤指标，进而判断泄流结构的运行状态。本发明的优越性在于，适合于对泄流结构的各种工作状态进行监控，及时发现其可能产生的损伤。本发明提出的损伤指标η结合了水流荷载、结构自身特性与振动响应波形之间的关系，对损伤比较敏感。该方法具有计算简单、结果直观、易于与现有的安全监测体系相结合的优点。

附图说明

图1泄流结构在水流荷载激励下所产生的随机共振波形图。

图2泄流结构在水流荷载激励下所产生的受迫振动波形图。

图3本发明实施例采用的模型试验图。

图4本发明的实施例中，水流荷载功率谱以及泄流结构损伤前后的工作频率。

图5本发明实施例的模型试验中试件未损伤时的振动响应。

图6本发明实施例的模型试验中结构损伤后的振动响应。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。如附图3所示，3是水箱；4是堰；5是有机玻璃导墙；6是试验试件；7是动位移测点(即传感器)；8是脉动压力传感器(即水流荷载测点)。试验在一平底水槽中进行，水槽上游侧与一水箱3连接，通过水泵保持水箱内的水位恒定。水槽左右两侧分别布置有机玻璃导墙5，分别与侧壁形成空腔，用以安装传感器、布设连接线，在右导墙0点位置处安放试件6。槽内靠近上游侧布置一宽顶堰4，动位移测点7位于试件6的顶部，同时，为了获得相应位置的水流荷载特性，在导墙测试段同一断面相对位置处布置脉动压力传感器8，即脉动压力传感器8在y轴方向上(即垂至于水流方向上)与试件6位置一致，在z轴方向上与动位移测点7位置相对，即位于动位移测点7的正对面。在试验装置中，可通过水泵和水箱结构，确保水流荷载的一致性。

如图4所示，试件未损伤时的工作频率(即曲线9)为5.8Hz，损伤后的工作频率(即曲线10)为4.8Hz，试验时保持水流条件不变，水流荷载功率谱(即曲线11)的主频带位于3Hz～5Hz。

如图5所示，采集未损伤情况下试件的振动响应，其形式体现为具有一定带宽的宽带响应，取一个分析时段T＝15s，该时段内响应极大值总数N₁＝102，正穿越零点的总次数N₂＝61，则波形判断参数C^u

$C^u=\frac{N_1}{N_2}=\frac{102}{61}=1.672$

如图6所示，采集损伤情况下结构的振动响应，其振动形式体现为窄带响应，即发生了随机共振现象，取一个分析时段T＝15s，该时段内响应极大值总数N₁＝76，正穿越零点的总次数N₂＝67，则波形判断参数C^d

$C^d=\frac{N_1}{N_2}=\frac{76}{67}=1.134$

损伤指标 $\mathrm{\η}=\frac{|C^d-C^u|}{C^u}\×100\%=\frac{|1.134-1.672|}{1.672}\×100\%=32.2\%>10\%,$ 可以判断结构发生了损伤。

综合波形分析和指标计算结果，当结构发生损伤后，其振动响应形式由宽带受迫振动变成窄带的随机共振，其波形判断参数C也发生了明显降低，因此本发明所提出的方法适用于结构损伤的在线实时监测。尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于实验室环境下的简单结构。针对实际拱坝、导墙等大型的泄流结构，本发明的技术方案仍具有适用性。本发明使用的用于振动响应采集的传感器可选用清华大学科教仪器厂的DP型地震式低频振动传感器；用于采集水流荷载的传感器可选用中国水利水电科学研究院研发的DJ800水流脉动压力测试系统。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法，其特征在于，按照下述步骤进行： 

首先由布置在泄流结构的传感器采集该结构在健康状态下的振动响应，并按照不同水流荷载下的运行条件分别进行存储； 

其次，分析采样时段T内，泄流结构在健康状态下的振动波形，初步判断振动响应的类型，即泄流结构在水流荷载下的振动响应属于随机共振响应还是宽带受迫振动响应； 

第三，构建波形判断参数C 

其中N₁是统计采样时段T内振动响应的极大值的总数；N₂是统计采样时段T内振动响应波形正向穿越零点的总次数，其中振动响应波形以正斜率穿越y＝0时为正向穿越零点； 

构建损伤指标η 

其中C^u为泄流结构在健康状态和不同水流荷载下的波形判断参数，C^d为泄流结构在相应水流荷载下的波形判断参数； 

最后，对泄流结构进行实时监测，观察其动态振动波形的特性，同时实时计算各统计时段T内的C值，并与相应水流荷载运行工况下健康结构的指标值进行对比，求得损伤指标η，当η≥10％时，即可判断泄流结构在水流荷载下出现损伤，从而判断结构的运行状态；其中所述随机共振的定义为，当泄流结构的工作频率位于水流荷载主频带的范围内时，在水流荷载作用下，结构将发生共振现象，其振动响应表现为窄带波形，由于水流荷载是具有一定带宽的低频随机荷载，其能量在时—频域上的分布会不断发生变化，这种共振现象为随机共振。 

2.根据权利要求1所述的一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法，其特征在于，对于采集的泄流结构的振动波形使用去均值方式进行处理后，再根据得到的波形获得波形判断参数C和损伤指标η。 

3.根据权利要求1所述的一种基于随机共振的泄流结构损伤监测方法，其特征在于，所述泄流结构为拱坝、导墙大型的泄流结构。