CN106227941B - 基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，包括以下步骤：通过数值仿真方法建立频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式；利用损伤后实测的加速度响应值反算出损伤程度指标PK。现有的损伤识别方法必须使用结构当前响应值信号与结构损伤前的响应值信号进行对比分析才能识别出损伤的程度，本发明只需要运用结构当前响应值信号进行分析便可以识别出结构的损伤程度。本发明由于量化了损伤程度指标与频率变化率的关系，可以定量的求出损伤程度指标，从而量化损伤程度。本发明将结构的损伤程度与频率变化率公式化，利用本发明的公式可以准确的计算出结构的损伤程度。

Description

基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法
技术领域
本发明涉及一种结构损伤程度识别方法，特别是一种高层框架结构的的损伤程度识别方法。
背景技术
当今房屋建筑中,高层框架结构的应用越来越广泛，然而伴随着材料老化、环境腐蚀、荷载效应、人为的以及自然的突变效应等作用，这些作用将不可避免的导致结构的损伤累积和抗力衰减，因此采取科学的手段，从结构的耐久性和安全性的角度，对高层框架结构的损伤情况进行检测、识别、评估已经迫在眉睫。
目前基于高层框架结构损伤程度的识别方法，都是通过对损伤前后的响应值进行对比分析，从而判断结构是否损伤。
然而，在实际生活中，总会因为各种各样的原因导致结构损伤前的数据丢失，这样对识别损伤前的结构频率造成了巨大的干扰，从而不可避免的影响到结构损伤信息的识别。
如果运用结构的固有频率变化率来识别结构的损伤，不需要结构损伤前的响应值，只需要提供结构当前的响应值，就可以分析结构的损伤程度，这样大大减少了损伤识别的工作量。关于固有频率变化率如何识别结构的损伤程度的研究，目前还未见相关报道。
发明内容
为解决现有方法存在的问题，本发明要提供一种能够利用结构当前的响应值精确地识别结构的损伤程度的基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，包括以下步骤：
A、通过数值仿真方法建立频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式
A1、提取不同损伤程度指标PK下的频率变化率kf
利用数值仿真方法得到高层框架结构某一损伤位置具有不同损伤程度指标PK时的加速度响应值，对该加速度响应值提取频率变化率kf；
频率变化率
式中：df为相邻采样时间内结构频率的变化量，dt为采样时间间隔；
损伤程度指标
式中：dK为结构刚度的降低量，K为损伤前结构的刚度；
A2、建立频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式
将步骤A1得到的频率变化率kf采用最小二乘拟合方法，得到频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式如下：
G(PK,kf)＝k'·PK-kf+C2＝0 (1)
式中：k'、C2为常数。
B、利用损伤后实测的加速度响应值反算出损伤程度指标PK
B1、通过加速度传感器测量高层框架结构同一损伤位置的加速度响应值，并对该加速度响应值提取频率变化率kf；
所述的提取频率变化率kf的方法，包括以下步骤：
B11、数据预处理
对加速度响应值运用时频分析方法得到时间-频率-振幅的三维图；然后提取每一时刻的频率-振幅二维图中振幅的第一个峰值点所对应的频率，即每一时刻结构的一阶固有频率；
B12、提取频率变化率kf
采用最小二乘拟合方法，对步骤B11中得到的每一时刻的一阶固有频率进行线性拟合得到频率随时间变化的函数：
f(t)＝kf·t+C1 (2)
式中：f(t)为频率，t为时间，C1为常数；通过式(3)即得到频率变化率kf的值；
B2、将步骤B1得到的频率变化率kf代入式(1)，反算出损伤程度指标PK，计算公示如下：
Pk＝(kf－C2)/k' (3)
从而得到结构的损伤程度指标PK。
进一步地，重复步骤A和B，对高层框架结构的另一损伤位置进行损伤程度的识别。
进一步地，步骤A1中，损伤程度指标PK的取值范围为0～1，间隔为0.1-0.3。
进一步地，步骤S1中所述的时频分析方法是短时傅里叶变换方法。
进一步地，所述的数值仿真方法包括matlab数值仿真方法、ansys数值仿真方法或abaqus数值仿真方法。
与现有方法相比，本发明有如下优点：
1、现有的损伤识别方法必须使用结构当前响应值与结构损伤前的响应值进行对比分析才能识别出损伤的程度，本发明只需要运用结构当前响应值进行分析便可以识别出结构的损伤程度；
2、现有的损伤识别方法只能定性的判断出结构的损伤程度，本发明由于量化了损伤程度指标与频率变化率的关系，可以定量的求出损伤程度指标，从而量化损伤程度；
3、现有的损伤识别方法只能通过损伤前后信号的差异来识别结构的损伤程度，本发明将结构的损伤程度与频率变化率公式化，利用本发明的公式可以准确的计算出结构的损伤程度。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是提取频率变化率kf的流程图。
图3是频率变化率kf与损伤位置指标PK的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图阐述如何运用一阶固有频率变化率识别高层框架结构的损伤程度。
当结构发生损伤时，结构的刚度会随之降低，由频率的定义知：
式中，f为频率，K为结构刚度，m为结构的质量。
两边同时求微分得：
化简得：
两边同除K得:
两边同除dt化简得：
此处的f值与K值相对应，K取损伤前的K值，所以此处的f为损伤前的f值，因而是一确定的常数，所以：
kf＝k'·PK
即频率变化率与损伤程度指标呈线性关系。
实施例子：
实际结构为十二层的框架结构，已知结构第四层发生损伤以及第八层加速度传感器得到的加速度响应值，想要得到结构第四层的损伤程度。
按照图1-2所示流程，运用matlab数值仿真方法(可以任选一种数值模拟软件，如ansys、abaqus等)模拟某十二层高层框架结构，分别在第四层的刚度折减率为10％、20％、30％、40％、50％、60％等六个工况下输入El Centro地震波得到第八层的加速度响应值，对每个工况下的第八层加速度响应值按照步骤A提取kf，结果如表1所示。画出PK-kf图以及拟合结果如图3所示。
从而得到PK-kf的关系式如下：
PK＝(kf-0.000433)/-0.0085
对实际结构第八层加速度传感器得到的加速度响应值按照步骤A提取频率变化率kf＝-0.00563，代入上面的PK-kf的关系式中反算出的损伤指标分别为0.72，说明结构第四层的刚度折减率为72％。
表1 PK-kf数据表
P<sub>K</sub> 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
k<sub>f</sub> -0.00056 -0.0012 -0.00192 -0.00279 -0.0037 -0.00484
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、通过数值仿真方法建立频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式
A1、提取不同损伤程度指标PK下的频率变化率kf
利用数值仿真方法得到高层框架结构某一损伤位置具有不同损伤程度指标PK时的加速度响应值，对该加速度响应值提取频率变化率kf；
频率变化率
式中：df为相邻采样时间内结构频率的变化量，dt为采样时间间隔；
损伤程度指标
式中：dK为结构刚度的降低量，K为损伤前结构的刚度；
A2、建立频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式
将步骤A1得到的频率变化率kf采用最小二乘拟合方法，得到频率变化率kf与损伤程度指标PK关系式如下：
G(PK,kf)＝k'·PK-kf+C2＝0 (1)
式中：k'、C2为常数；
B、利用损伤后实测的加速度数值反算出损伤程度指标PK
B1、通过加速度传感器测量高层框架结构同一损伤位置的加速度响应值，并对该加速度响应值提取频率变化率kf；
所述的提取频率变化率kf的方法，包括以下步骤：
B11、数据预处理
对加速度响应值运用时频分析方法得到时间-频率-振幅的三维图；然后提取每一时刻的频率-振幅二维图中振幅的第一个峰值点所对应的频率，即每一时刻结构的一阶固有频率；
B12、提取频率变化率kf
采用最小二乘拟合方法，对步骤B11中得到的每一时刻的一阶固有频率进行线性拟合得到频率随时间变化的函数：
f(t)＝kf·t+C1 (2)
式中：f(t)为频率，t为时间，C1为常数；通过式(3)即得到频率变化率kf的值；
B2、将步骤B1得到的频率变化率kf代入式(1)，反算出损伤程度指标PK，计算公示如下：
Pk＝(kf－C2)/k' (3)
从而得到结构的损伤程度指标PK。
2.根据权利要求1所述的基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，其特征在于：重复步骤A和B，对高层框架结构的另一损伤位置进行损伤程度的识别。
3.根据权利要求1所述的基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，其特征在于：步骤A1中，损伤程度指标PK的取值范围为0～1，间隔为0.1-0.3。
4.根据权利要求2所述的基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，其特征在于：步骤S1中所述的时频分析方法是短时傅里叶变换方法。
5.根据权利要求1所述的基于固有频率变化率的高层框架结构的损伤程度识别方法，其特征在于：所述的数值仿真方法包括matlab数值仿真方法、ansys数值仿真方法或abaqus数值仿真方法。
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