CN108549847A - 一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，属于桥梁结构健康诊断技术领域。本发明采集梁的动态响应信号Sij，进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱，找出一阶振动信号的对应频点；根据二进制小波变换的频段划分方法确定一阶振动信号所在频段的上限频率fh及下限频率fl，构建谐波小波基函数频域表达式；对Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号分别找出中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt；将lc和lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算Dj；将Dj画在同一幅图中，若k测点处的Dj为峰值即k测点处为损伤所在处且峰值与谷值连线的斜率越大，损伤越大。
Description
技术领域
本发明涉及一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，属于桥梁结构健康诊断技术领域。
背景技术
桥梁在现代交通网络中扮演着重要的角色。特别是在新修建的高速公路与铁路中，不但桥梁所占比例越来越高，而且各种特大型桥梁不断出现。然而，在日常荷载、腐蚀、材料老化等因素的作用下，桥梁往往会发生不同程度的损伤从而使得结构承载正常载荷及抵抗环境作用冲击的能力下降，引发灾难性事故。因此，桥梁结构的损伤的准确检测具有重要意义。
目前，常用的检测方法分为静态检测和动态检测。静态检测多为局部探伤法，这类检测方法存在着成本高、工作量大、不适用于大型桥梁结构等问题。动态检测主要是通过分析结构的动态响应从而发现结构整体的参量变化进而完成损伤的识别。动态检测又分为有模型方法和无模型方法两大类。有模型方法如：基于有限元分析的模型修正法、基于非线性动力学系统的神经网络法、基于概率搜索的遗传算法及以集群迭代算法计算结构模型参数最优解的群智能优化算法等。这类方法均需要建立精确的数学模型，并进行大量的计算，这使得其在实际应用中受到了制约。无模型法主要指结合了振动理论、系统识别理论、信号采集与分析理论等跨学科的整体分析方法。无模型法分为频域方法、时域方法和时频域方法。频域方法中常用的方法包括：曲率模态法、模态置信因子法、模态应变能法、柔度矩阵法、频响函数法等；时域方法包括：MA(Moving average)法、AR(autoregressive)法、ARMA(autoregressive moving average)法等；时频域方法包括：傅里叶谱分析、小波变换法和希尔伯特-黄变换法。这些无模型方法虽然各有优劣，但都需要一个共同的前提条件。就是在损伤识别过程中，需要未损伤桥梁结构的精确有限元模型或者试验数据作为对比分析的基准数据。最后，通过对比基准数据与有损伤梁的计算结果问的差异来确定损伤情况。然而，现在的结构中绝大部分是没有基础数据的，因此，找到一种不依赖早期资料的损伤识别方法十分必要。
发明内容
针对现在损伤识别方法中存在的无基准数据、模型精度要求高、计算量大等问题，本发明提供一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法。本发明方法通过谐波小波包变换对信号进行分解，提取出低阶振动信号；然后计算提取后信号的波峰及波谷的包络线；接着，利用包络线计算损伤指标；最后，通过对比由各测点数据计算出的损伤指标的分布规律进行裂缝的损伤定位及损伤程度判断。
一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，具体步骤如下：
(1)在梁上均匀布置n个测点，采集梁的动态响应信号Sij；
(2)对步骤(1)所得动态响应信号Sij进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱；
(3)从步骤(2)所得动态响应信号频谱中找出一阶振动信号的对应频点；
(4)根据二进制小波变换的频段划分方法确定步骤(3)一阶振动信号所在频段的上限频率fh及下限频率fl；
(5)利用步骤(4)的上限频率fh及下限频率fl构建谐波小波基函数频域表达式；
(6)根据步骤(5)的频域表达式，对步骤(1)的动态响应信号Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号
(7)分别找出步骤(6)一阶振动信号中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt；
(8)将步骤(7)波峰包络线lc和波谷包络线lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算损伤指标Dj，其损伤指标计算公式为
i表示包络线中第i个数据，n为包络线中数据点的总数；
(9)将步骤(8)所得Dj画在同一幅图中，若k测点处的Dj为峰值即k测点处为损伤所在处且峰值与谷值连线的斜率越大，损伤越大；
进一步地，所述步骤(5)中谐波小波函数的频域表达式为
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法在整个损伤识别过程中不需要未损伤时梁的动态响应信号，解决了无基准数据及有限元模型不精确的问题；
(2)本发明方法在计算过程中不需要进行复杂的迭代及微分方程求解，大大降低了计算量；
(3)识别过程中不需要梁的任何模态参数，因此该方法可适用于线性材料和非线性材料制作的梁。
说明书附图
图1为本发明流程图；
图2为实施例1梁上测点分布示意图
图3为实施例1梁上1、4、6号测点测得的完整的时域动态响应信号；
图4为实施例1梁上1、4、6号测点数据计算出的梁的频谱图；
图5为实施例1中1、4、6号测点数据经谐波小波包变换后得到的一阶时域振动信号及其包络线图；
图6为实施例1中11个测点的数据计算出的Dj分布图；
图7为实施例2裂缝深度为梁高10％时的损伤识别结果；
图8为实施例3裂缝深度为梁高15％时的损伤识别结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：本实施例在预制了裂缝损伤的钢筋混凝土梁上进行的损伤识别实验，裂缝位于梁的跨中位置，其深度为梁高的5％，为了获取梁的动态响应信号，实验中由人通过锤击的方式对梁进行激励，实验中，信号采集时长为300秒，采样频率为2kHz；
如图1所示，一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，具体步骤如下：
(1)在梁的底部均匀布置11个测点，测量传感器为电阻应变计，每个测点间的间距是50cm，如图2所示；采集梁的动态响应信号Sij如图3所示；由于各测点时域信号的波形存在相似性且跨中位置两侧各测点的测量值存在对称性，因此，图3中仅画出了1、4、6号测点的信号；图中每一根竖线表示一次锤击，由于数据量太大，所以图中无法看清信号的衰减情况；
(2)对步骤(1)所得动态响应信号Sij进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱，如图4所示；
(3)从步骤(2)所得动态响应信号频谱中找出一阶振动信号的对应频点，一阶振动信号的振动频率为21.52Hz；
(4)根据二进制小波变换的频段划分方法，进行7层分解后确定步骤(3)一阶振动信号所在频段的上限频率fh为28.1Hz及下限频率fll为14.1Hz；
(5)利用步骤(4)的上限频率fh及下限频率fll构建谐波小波基函数频域表达式，其频域表达式为：
(6)根据步骤(5)的频域表达式，对步骤(1)的动态响应信号Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号如图5所示；为解决图3中时域信号衰减情况看不清的问题，图5中这里截取了94.8秒至104.4秒的一阶振动信号，从图中可以清楚的看到信号的振动过程，同时由于仅提取了一阶振动信号，所以信号比较平滑，波峰与波谷很容易找到；
(7)分别找出步骤(6)一阶振动信号中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt(见图5)；
(8)将步骤(7)波峰包络线lc和波谷包络线lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算损伤指标Dj，其损伤指标计算公式为
i表示包络线中第i个数据，n为包络线中数据点的总数；
(9)将步骤(8)所得Dj画在同一幅图中，如图6所示，第6个测点处的Dj为峰值即第6个测点处为损伤所在处且距离第6号测点越远，差值越大。
实施例2：本实施例在预制了裂缝损伤的钢筋混凝土梁上进行的损伤识别实验，裂缝位于梁的跨中位置，其深度为梁高的10％，为了获取梁的动态响应信号，实验中由人通过锤击的方式对梁进行激励，实验中，信号采集时长为300秒，采样频率为2kHz；
一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，具体步骤如下：
(1)在梁的底部均匀布置11个测点，测量传感器为电阻应变计，每个测点间的间距是50cm，采集梁的动态响应信号Sij；
(2)对步骤(1)所得动态响应信号Sij进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱；
(3)从步骤(2)所得动态响应信号频谱中找出一阶振动信号的对应频点；
(4)根据二进制小波变换的频段划分方法确定步骤(3)一阶振动信号所在频段的上限频率fh及下限频率fl；
(5)利用步骤(4)的上限频率fh及下限频率fl构建谐波小波基函数频域表达式，其频域表达式为：
(6)根据步骤(5)的频域表达式，进行7层分解后对步骤(1)的动态响应信号Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号
(7)分别找出步骤(6)一阶振动信号中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt；
(8)将步骤(7)波峰包络线lc和波谷包络线lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算损伤指标Dj，其损伤指标计算公式为
i表示包络线中第i个数据，n为包络线中数据点的总数；
(9)将步骤(8)所得Dj画在同一幅图中，如图7所示，第6个测点处的Dj为峰值即第6个测点处为损伤所在处且距离第6号测点越远，差值越大；本实施例的损伤比实施例1的大从而验证了峰值与谷值连线的斜率越大则损伤越大。
实施例3：本实施例在预制了裂缝损伤的钢筋混凝土梁上进行的损伤识别实验，裂缝位于梁的跨中位置，其深度为梁高的15％，为了获取梁的动态响应信号，实验中由人通过锤击的方式对梁进行激励，实验中，信号采集时长为300秒，采样频率为2kHz；
一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，具体步骤如下：
(1)在梁的底部均匀布置11个测点，测量传感器为电阻应变计，每个测点间的间距是50cm，采集梁的动态响应信号Sij；
(2)对步骤(1)所得动态响应信号Sij进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱；
(3)从步骤(2)所得动态响应信号频谱中找出一阶振动信号的对应频点；
(4)根据二进制小波变换的频段划分方法确定步骤(3)一阶振动信号所在频段的上限频率fh及下限频率fl；
(5)利用步骤(4)的上限频率fh及下限频率fl构建谐波小波基函数频域表达式，其频域表达式为：
(6)根据步骤(5)的频域表达式，进行7层分解后对步骤(1)的动态响应信号Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号
(7)分别找出步骤(6)一阶振动信号中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt；
(8)将步骤(7)波峰包络线lc和波谷包络线lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算损伤指标Dj，其损伤指标计算公式为
i表示包络线中第i个数据，n为包络线中数据点的总数；
(9)将步骤(8)所得Dj画在同一幅图中，如图8所示，第6个测点处的Dj为峰值即第6个测点处为损伤所在处且距离第6号测点越远，差值越大；本实施例的损伤比实施例1、实施例2的损伤大从而验证了峰值与谷值连线的斜率越大则损伤越大。
Claims (2)
1.一种无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在梁上均匀布置n个测点，采集梁的动态响应信号Sij；
(2)对步骤(1)所得动态响应信号Sij进行傅里叶变换得到动态响应信号频谱；
(3)从步骤(2)所得动态响应信号频谱中找出一阶振动信号的对应频点；
(4)根据二进制小波变换的频段划分方法确定步骤(3)一阶振动信号所在频段的上限频率fh及下限频率fl；
(5)利用步骤(4)的上限频率fh及下限频率fl构建谐波小波基函数频域表达式；
(6)根据步骤(5)的频域表达式，对步骤(1)的动态响应信号Sij进行谐波小波包变换，提取一阶振动信号
(7)分别找出步骤(6)一阶振动信号中所有的波峰和波谷，采用三次样条拟合方式，计算波峰包络线lc和波谷包络线lt；
(8)将步骤(7)波峰包络线lc和波谷包络线lt的纵坐标数据代入损伤指标计算公式，计算损伤指标Dj，其损伤指标计算公式为
i表示包络线中第i个数据，n为包络线中数据点的总数；
(9)将步骤(8)所得Dj画在同一幅图中，若k测点处的Dj为峰值即k测点处为损伤所在处且峰值与谷值连线的斜率越大，损伤越大。
2.根据权利要求1所述无基准数据条件下的梁式结构裂缝损伤识别方法，其特征在于：步骤(5)中谐波小波函数的频域表达式为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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