CN103728128B - 结构构件半刚性连接损伤检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构构件半刚性连接损伤检测系统，通过布置在被测构件端部半刚性连接附近的传感器采集到构件自由振动的信号，将这些信号经过一定的分析处理模块分析处理后得到构件端部的振幅-时间曲线和频率-时间曲线，进而得到构件端部的频率-振幅曲线，比较曲线中相同振幅区间内频率改变值的大小以判断半刚性连接的损伤，频率值改变越大说明损伤越严重。实际检测中可以对安装状态相同的多根构件进行检测，然后得出各构件每一端的频率-振幅曲线，对比这些曲线相同振幅区间内频率的改变值即可判断哪些半刚性连接存在损伤且损伤的程度如何。

Description

结构构件半刚性连接损伤检测系统

技术领域

本发明涉及一种损伤检测系统；具体涉及一种结构构件半刚性连接损伤检测系统。

背景技术

钢结构和钢-混凝土混合结构随着社会经济的发展在建筑结构中占据着越来越重要的地位。钢结构和钢-混凝土混合结构中构件的连接通常采用高强螺栓或焊缝连接，尤以采用高强螺栓端板连接这样的半刚性连接在实际工程中越来越多。在长时间的环境激励作用下（如风荷载和可变荷载，甚或地震作用），高强螺栓松动导致的连接损伤难以避免。如果连接损伤在早期没有被及时发现，随着损伤的进一步加剧，结构的受力状态将显著改变而产生局部破坏，甚至导致建筑结构的倒塌。因此对钢结构和钢-混凝土结构来说，结构构件连接的损伤识别非常重要。目前，对高强螺栓松动这样的半刚性连接损伤检测的研究还处于初期发展阶段。传统的识别高强螺栓松动的复拧法等技术，不仅技术含量低、操作难度大、耗费时间长，而且成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种结构构件半刚性连接损伤检测系统，能有效可靠的识别结构构件半刚性连接的损伤。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种结构构件半刚性连接损伤检测系统，包括设置在构件端部的振动信号采集模块、去噪模块、盲源分离模块、积分模块、时频变换模块和损伤判断模块；所述振动信号采集模块用于采集构件端部的自由振动信号；所述去噪模块用于对振动信号采集模块采集到的振动信号进行去噪处理；所述盲源分离模块用于对去噪后的振动信号进行盲源分离并得到一阶振动分量；所述积分模块用于对一阶振动分量进行两次积分运算得到位移-时间曲线；所述时频变换模块用于对位移-时间曲线进行时频变换得到频率-振幅曲线；所述损伤判断模块用于判断构件端部半刚性连接的损伤情况；

进一步，所述去噪模块采用小波软阈值方式去噪；

进一步，还包括镜像处理模块，所述镜像处理模块用于对积分后的位移信号进行镜像处理；

进一步，还包括直线拟合模块，所述直线拟合模块用于位移信号进行直线拟合；

进一步，还包括归一化处理模块，所述归一化处理模块用于对时频变换后的频率-振幅曲线进行归一化处理；

进一步，所述时频变换模块采用希尔伯特变换方式进行时频变换；

进一步，还包括平均处理模块，所述平均处理模块用于对多条频率-振幅曲线进行平均处理。

本发明的有益效果是：本发明通过布置在构件端部半刚性连接附近的传感器采集到构件自由振动的信号，将这些信号经过一定的分析处理最后得到构件端部的振幅-时间曲线和频率-时间曲线，进而得到构件端部的频率-振幅曲线，利用该频率-振幅曲线即可判断出半刚性连接的损伤程度和损伤位置，判断有效可靠。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明检测系统的原理框图；

图2为传感器的布置示意图；

图3为工况一子工况14的X梁B端加速度信号图；

图4为图3去噪后的加速度信号图；

图5为图4加速度信号的一阶分离信号图；

图6为图5的加速度一阶分离信号2次积分后形成的位移信号图；

图7为图6的镜像处理图；

图8为图7进行时频变换后的振幅-时间图；

图9为图7进行时频变换后的频率-时间图；

图10为结合图8和图9得到的子工况14的X梁B端自由振动的频率-振幅曲线；

图11为子工况14的X梁B端3次动测归一化处理后得到的频率-振幅曲线；

图12为工况一各子工况X梁B端的最终频率-振幅曲线；

图13为工况二各子工况X梁B端的最终频率-振幅曲线；

图14为工况三各子工况X梁B端的最终频率-振幅曲线。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种结构构件半刚性连接损伤检测系统，包括设置在构件端部的振动信号采集模块、去噪模块、盲源分离模块、积分模块、时频变换模块和损伤判断模块；所述振动信号采集模块用于采集构件端部的自由振动信号；所述去噪模块用于对振动信号采集模块采集到的振动信号进行去噪处理；所述盲源分离模块用于对去噪后的振动信号进行盲源分离并得到一阶振动分量；所述积分模块用于对一阶振动分量进行两次积分运算得到位移-时间曲线；所述时频变换模块用于对位移-时间曲线进行时频变换得到频率-振幅曲线；所述损伤判断模块用于判断构件端部半刚性连接的损伤情况。

本发明通过布置在构件端部半刚性连接附近的传感器采集到构件自由振动的信号，将这些信号经过上诉的分析处理模块分析处理后得到构件端部的振幅-时间曲线和频率-时间曲线，进而得到构件端部的频率-振幅曲线，比较曲线中相同振幅区间内频率改变值的大小以判断半刚性连接的损伤，频率值改变越大说明损伤越严重。实际检测中可以对安装状态相同的多根构件进行检测，然后得出各构件每一端的频率-振幅曲线，对比这些曲线相同振幅区间内频率的改变值是否超过损伤阈值即可判断哪些半刚性连接存在损伤且损伤的程度如何，损伤阈值可以根据具体的工况具体确定。

下面将通过多个实施例以最为典型的摩擦型高强螺栓连接为代表的端板半刚性连接进行检测来证明本检测系统的有效性：

实施例的工件：

工件为X钢梁，其材质为Q235的16#工字钢，净跨为5000mm，梁两端分别连着一块大小为280mm*380mm，厚度为20mm的端板，在端板上均匀布置三行两列的摩擦型高强螺栓，其强度等级为10.9，规格为M20，长度为80mm，端板上螺栓孔的标定直径为22mm。

损伤的鉴定依据：

根据钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程的规定，摩擦型高强螺栓的施工终拧扭矩根据式TC=K*PC*d确定，其中TC为施工的终拧扭矩，单位为N*m，K值为高强螺栓连接副的扭矩系数平均值，一般取值为0.12，PC为高强螺栓施工预拉力，单位为kN，对于强度等级为10.9级的M20摩擦性高强度螺栓取值为170kN，d为高强度螺栓的螺杆直径，对于M20的直径取20mm。将上述数据带入公式得到终拧扭矩TC为408N*m，为了计算处理的方便取终拧扭矩为400N*m，满足规范规程要求。因此当高强螺栓的扭矩达到400N*m时认为钢梁端板半刚性连接为完好的，即处于无损伤的状态。

实施例工况：

工况一：设定X钢梁A端无损伤，即A端的终拧扭矩为400N*m，B端的终拧扭矩从0到400N*m，即从完全损伤到无损的各种状态，具体工况见下表：

以子工况14为例，XAB200表示A端的终拧扭矩为400N*m，B端的终拧扭矩为200N*m。其余类推。

工况二：设定X钢梁A、B两端的损伤程度相同，具体工况见下表：

以子工况23为例，XA150B150表示A端的终拧扭矩为150N*m，B端的终拧扭矩为150N*m。其余类推。

工况三：设定X钢梁A、B两端的损伤程度不相同，具体工况见下表：

以子工况32为例，XA100B200表示A端的终拧扭矩为100N*m，B端的终拧扭矩为200N*m。其余类推。

以工况一子工况14(XAB200)检测为例，其检测方法如下：

第一步：在X钢梁两端离钢梁端板500mm处垂直于钢梁轴线并行布置振动信号采集模块如图2所示，本实施例中振动信号采集模块为加速度传感器；

第二步：通过力锤在钢梁的跨中位置进行敲击而获取钢梁振动信号，利用所述加速度传感器采集到钢梁B端的振动信号如图3所示；

第三步：利用去噪模块进行去噪，去噪后的振动信号如图4所示；本实施例中去噪采用小波软阈值方式处理；

第四步：利用盲源分离模块对去噪后的振动信号进行盲源分离并得到一阶振动分量如图5所示；

第五步：利用积分模块对上述一阶振动分量进行两次积分运算并得到位移-时间曲线如图6所示；

第六步：利用镜像处理模块对第五步得到的位移信号进行镜像处理，处理后如图7所示；利用直线拟合模块对0.5秒到10秒的位移信号进行直线拟合；然后利用时频变换模块对上述位移-时间曲线进行时频变换得到的振幅-时间曲线和频率-时间曲线如图8、9所示，将二者结合得到频率-振幅曲线如图10所示；本实施例中，采用镜像法对第五步得到的位移信号进行镜像处理可抑制端点效应减小误差；本实施例的时频变换模块采用希尔伯特变换方式进行时频变换；而选取位移-时间曲线的0.5秒到10秒这一段进行希尔伯特变换，是为了让位移幅值有足够大的变化，以对比各损伤工况下的频率变化。

第七步：重复步骤二到六3次得到3条频率-振幅曲线，利用归一化处理模块对3条频率-振幅曲线进行归一化处理后如图11所示；取3条频率-振幅曲线中间的1条作为最终结果。

以同样的方式对所有工况的X梁进行检测，得到所有工况的频率-振幅曲线如图12至图14所示，选取频率-振幅曲线上振幅区间在0.25×10^-5m—2.25×10^-5m之间的曲线，得到其频率的改变值如下表：

X梁各工况下频率改变值/HZ

子工况	11	12	13	14	15	16	17	18
									A端频率改变值	0.0312	0.02823	0.0303	0.0291	0.0268	0.0324	0.0276	0.0285
B端频率改变值	0.3751	0.2222	0.1376	0.1126	0.0919	0.0618	0.0401	0.0285
									子工况	21	22	23	24	25	26	27
A端频率改变值	0.6663	0.4359	0.2869	0.1968	0.1108	0.0831	0.0532
									B端频率改变值	0.6663	0.4359	0.2869	0.1968	0.1108	0.0831	0.0532
子工况	31	32	33	34
									A端频率改变值	0.5321	0.3386	0.1617	0.1126
B端频率改变值	0.3955	0.2249	0.1224	0.0285

从上表中很容易看出当频率改变值在0.03HZ左右的时候表明该端无损伤或者损伤很轻微，当频率改变值超过0.1HZ时损伤较为严重。另外上述数据与各子工况的X梁两端的实际工况也完全符合，因此本发明检测系统能够有效的判断钢梁两端半刚性连接的损伤情况。

本实施例中，首先针对加速度响应信号采用盲源分离技术的SOBI算法分离得到一阶信号，然后通过Hilbert变换获得信号的频率和振幅关系曲线。

SOBI算法采用联合对角化方法(JAD)找到矩阵Ψ，能够将任意时滞τ_i(1≤i≤p)的白化信号Z的协方差矩阵近似对角化，即

Ψ^TR_Z(τ_i)Ψ≈diagonal(1)

这个问题可以通过下式解决：

$\underset{\mathrm{\Ψ}}{\min }\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{off}\left({\mathrm{\Ψ}}^T{R}_Z\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\mathrm{\Ψ}\right)---\left(2\right)$

由Ψ和白化矩阵Q可得到分离矩阵W，进而求得分离后的信号S。

以上过程分为两个步骤：

1）采用主分量分析(PCA)对观测信号进行预处理，将观测信号X各个分量去均值后，通过PCA得到白化信号Z。详细过程如下：

首先计算记录的加速度信号(以下称为观测信号X)的协方差矩阵R_X：

R_X=E[XX^T](3)

其中X为去均值后的观测信号，E为数学期望，对式（3）进行特征值分解：

R_X=V_XD_XV_X ^T(4)

则白化矩阵为:

Q=D_X ^-1/2V_X ^T(5)

白化信号为：

Z=QX=D_X ^-1/2V_X ^TX(6)

2）用白化信号Z构建时滞为p的协方差矩阵，通过式(2)可以求出正交矩阵Ψ。

计算分离矩阵：W=Ψ^TQ(7)

混合矩阵：A=Q^-1Ψ(8)

则分离信号可以表示：S=WX(9)

S中的第一阶元素即为一阶信号，所述一阶信号先经过镜像处理后再进行Hilbert变换；镜像处理能一定程度解决端点效应。

一阶信号x(t)的Hilbert变换定义如下：

$y\left(t\right)=H\left[\left(t\right)\right]=\frac{1}{\mathrm{\π}}P{\∫}_{-\∞}^{\∞}\frac{x\left(\mathrm{\τ}\right)}{t-\mathrm{\τ}}\mathrm{d\τ}---\left(10\right)$

其中P为柯西主值。x(t)和y(t)构成解析信号Z(t)：

Z(t)=x(t)+iy(t)=a(t)e^iθ(t)(11)

式中：a(t)为瞬时振幅；θ(t)为相位，

$a\left(t\right)={[x^2\left(t\right)+y^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(12\right)$

$\mathrm{\θ}\left(t\right)\arctan \frac{y\left(t\right)}{x\left(t\right)}---\left(13\right)$

瞬时频率按下式计算：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

瞬时频率f(t)和瞬时振幅a(t)构成频率-振幅曲线。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：包括设置在构件端部的振动信号采集模块、去噪模块、盲源分离模块、积分模块、时频变换模块和损伤判断模块；所述振动信号采集模块用于采集构件端部的自由振动信号；所述去噪模块用于对振动信号采集模块采集到的振动信号进行去噪处理；所述盲源分离模块用于对去噪后的振动信号进行盲源分离并得到一阶振动分量；所述积分模块用于对一阶振动分量进行两次积分运算得到位移-时间曲线；所述时频变换模块用于对位移-时间曲线进行时频变换得到频率-振幅曲线；所述损伤判断模块用于判断构件端部半刚性连接的损伤情况,

所述时频变换模块采用希尔伯特变换方式进行时频变换；

选取位移-时间曲线的0.5秒到10秒这一段进行希尔伯特变换。

2.根据权利要求1所述的结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：所述去噪模块采用小波软阈值方式去噪。

3.根据权利要求1所述的结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：还包括镜像处理模块，所述镜像处理模块用于对积分后的位移信号进行镜像处理。

4.根据权利要求1所述的结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：还包括直线拟合模块，所述直线拟合模块用于对位移信号进行直线拟合。

5.根据权利要求1所述的结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：还包括归一化处理模块，所述归一化处理模块用于对时频变换后的频率-振幅曲线进行归一化处理。

6.根据权利要求1所述的结构构件半刚性连接损伤检测系统，其特征在于：还包括平均处理模块，所述平均处理模块用于对多条频率-振幅曲线进行平均处理。