CN109472083B - 基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法 - Google Patents

基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，能够采用数据模型对土木工程结构进行损伤检测计算，模型复杂程度与实际结构没有直接关系，可较为方便地建立合理模型，并且本方法采用原始时域监测数据进行计算，避免了时域数据向频域数据转换过程中信息量的损失。使用本方法，能够准确计算得出国际结构控制协会与美国土木工程协会设计的基准结构全部工况下的损伤状态。

Description

基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法
技术领域
本发明涉及一种土木工程结构损伤检测方法，特别是涉及一种基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法。
背景技术
一般来说，结构健康监测中的相关方法可分为5个层次：(1)确定结构损伤是否发生，可称为“损伤检测方法”，即本发明所涉及的方法；(2)确定结构损伤位置的方法； (3)确定结构损伤类型的方法；(4)确定结构损伤程度的方法；(5)确定结构剩余寿命的方法。现有结构健康监测领域的相关文献表明，从层次(1)至层次(5)，方法实施的难度依次增大。
对于土木工程领域的实际结构，即使是上述层次(1)的方法实施难度也较大。现有技术主要有两种，一是有限元模型方法，通过建立结构的物理模型，描述监测数据与结构参数之间的函数关系，从而根据监测数据的变化反演结构参数的变化，来确定结构损伤的发生；二是模态分析方法，将原始监测数据从时域转化为模态域，根据模态数据变化确定结构损伤的发生。
但是这两种现有方法都存在着许多不足，具体来讲，有限元模型方法旨在模拟实际结构中各微元体几何、力学、物理等方面的关系，因此随着结构复杂程度的增加，有限元模型建模难度极大提高，以致于通常难以建立合理的模型，模态分析方法需要从原始时域监测数据抽取出模态域特征量，这种处理方法必然会减少数据中的信息量。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其建模难度不会随结构复杂程度的增加而增加，并且它直接采用原始监测数据进行结构损伤检测，避免了数据信息量的损失，从而提高了方法的有效性。
技术方案：本发明所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法,包括以下步骤：
(1)利用数据监测设备采集土木工程的结构响应数据xk，共m×n个，1≤k≤m× n，并把xk分为m组，每组数据的个数都是n；
(2)对每组数据采用下式求均值
Figure BDA0001853651320000011
与极差Ri：
Figure BDA0001853651320000012
(3)均值
Figure BDA0001853651320000021
极差Ri的上下限分别按下式计算：
Figure BDA0001853651320000022
其中
Figure BDA0001853651320000023
其中，
Figure BDA0001853651320000024
分别为
Figure BDA0001853651320000025
的上限、中心线、下限，UCLR、CenterR、LCLR分别为Ri的上限、中心线、下限，A2、D3、D4是与n有关的统计参数；
(4)检查在
Figure BDA0001853651320000026
之外
Figure BDA0001853651320000027
的数据个数是否超过m·P1，检查在[UCLR,LCLR]之外Ri的数据个数是否超过m·P2，其中P1是当结构处于正常状态下时
Figure BDA0001853651320000028
在
Figure BDA0001853651320000029
Figure BDA00018536513200000210
之外的概率，P2是当结构处于正常状态下时Ri在[UCLR,LCLR]之外的概率，如果上述二者之一超过，即表明结构处于损伤状态，完成对结构损伤的检测。
所述的结构响应数据xk包括加速度、速度、位移和应变，且在相同时间间隔采集。
为了在结构损伤检测的有效性，
Figure BDA00018536513200000211
UCLR、LCLR的设置原则为使所述的P1在0.27％至1％范围内，使所述的P2在0.27％至1％范围内。
进一步的，n＝4、A2＝0.729、D3＝0、D4＝2.282，或者n＝5、A2＝0.577、D3＝0、D4＝2.114、或者n＝6、A2＝0.483、D3＝0、D4＝2.004。
有益效果：本方法能够采用数据模型对土木工程结构进行损伤检测计算，模型复杂程度与实际结构没有直接关系，可较为方便地建立合理模型，并且本方法采用原始时域监测数据进行计算，避免了时域数据向频域数据转换过程中信息量的损失。使用本方法，能够准确计算得出国际结构控制协会与美国土木工程协会设计的基准结构全部工况下的损伤状态。
附图说明
图1是Benchmark结构的构型图；
图2是本方法的流程图；
图3是无损状态下的检测结果数据图；
图4是有损状态1下的检测结果数据图。
具体实施方式
国际结构控制协会(International Association for Structural Control，简写为IASC)、美国土木工程协会(American Society of Civil Engineers，简写为ASCE) 提出了一个如图1所示的Benchmark结构，作为比较各种结构损伤检测方法的试验研究平台，方便研究者们将不同方法应用于此结构，以评价所采用方法的优劣。
原始监测数据xk是在外部荷载的作用下，土木工程结构响应的采集数据。其中，外部荷载一般来源于地震、风等自然因素，若结构体量较小，也可使用人工荷载；结构响应包括加速度、速度、位移、应变等不同类型；数据采集一般需要利用数据监测设备，在相同时间间隔的时刻测得结构响应。本实施例中采用的原始监测数据均为MATLAB程序计算得到的模拟监测数据，原始监测数据均包含了噪信比为10％的计算误差，损伤情况采用结构中的斜支撑进行模拟，即：结构各层的8*4＝32根斜支撑全部存在的状态，对应于无损状态；去掉不同层的不同数量的斜支撑，对应于不同的损伤状态。
如图2所示，具体的检测方法是，第一步利用数据监测设备采集土木工程的结构响应数据xk，共m×n个，1≤k≤m×n，并把xk分为m组，每组数据的个数都是n；第二步对每组数据求出均值
Figure BDA0001853651320000031
与极差Ri，i＝1,2,…,m；第三步求出均值
Figure BDA0001853651320000032
极差Ri的上下限
Figure BDA0001853651320000033
UCLR1和LCLR1；第四步对未知状态下的x’h按照第一步和第二步操作， 1≤h≤m×n，得到
Figure BDA0001853651320000034
和Rj’；第五步将第三步所得上下限和
Figure BDA0001853651320000035
Rj’画在二维图上；第六步检查在
Figure BDA0001853651320000036
之外
Figure BDA0001853651320000037
的数据个数，如果超过m·0.27％则检测出结构处于损伤状态；第七步检查在[LCLR1,UCLR1]之外Rj’的数据个数，如果超过m·0.27％则检测出结构处于损伤状态；如果第六步和第七步都没有超过m·0.27％则检测出结构处于无损状态。
首先在无损状态下进行检验。
Figure BDA0001853651320000038
与UCLR1、CLR1、LCLR1由无损状态下的数据计算得到，计算采用的监测数据为第一层顶板处的结构加速度响应，数据个数取为2000，把原始测试数据分为500组，每组数据的个数是4，A2＝0.729、D3＝0、 D4＝2.282，P1＝P2＝0.27％。利用原始数据进行检测计算，均值
Figure BDA0001853651320000039
极差Ri、上限UCL、中心线Center、下限LCL的数据图如图3所示，其中，上、下两条水平线分别为UCL、 LCL，圆圈表示
Figure BDA00018536513200000310
Ri的超限数据。在正常状态下
Figure BDA00018536513200000311
Ri的最大超限数据个数可认为是 500*0.27％＝1.35，在图3中
Figure BDA00018536513200000312
Ri的实际超限数据的个数分别为1和1，均小于 500*0.27％＝1.35，即本方法正确指出了结构处于无损状态下。
第二在有损状态下进行检测。定义有损状态1为去掉第一层的所有斜支撑的状态，与无损状态下的情况相同，有损状态1下均值
Figure BDA00018536513200000313
极差Ri的上限UCL、中心线Center、下限LCL采用
Figure BDA00018536513200000314
与UCLR1、CLR1、LCLR1表示，监测数据也采用第一层顶板处的结构加速度响应，采样频率为1000，数据个数取为2000，把原始测试数据分为500组，每组数据的个数是4，A2＝0.729、D3＝0、D4＝2.282，P1＝P2＝0.27％。利用原始数据进行检测计算，均值
Figure BDA00018536513200000315
极差Ri、上限UCL、中心线Center、下限LCL的数据图如图4所示，其中，上、下两条水平线分别为UCL、LCL，圆圈表示
Figure BDA00018536513200000316
Ri的超限数据。图4中
Figure BDA00018536513200000317
Ri的实际超限数据的个数显然均大于正常状态下最大超限数据个数 500*0.27％＝1.35，即本方法正确指出结构处于有损状态下。

Claims (6)

1.一种基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法,其特征在于包括以下步骤：
(1)利用数据监测设备采集土木工程的结构响应数据xk，共m×n个，1≤k≤m×n，并把xk分为m组，每组数据的个数都是n；
(2)对每组数据采用下式求均值
Figure FDA0001853651310000011
与极差Ri：
Figure FDA0001853651310000012
(3)均值
Figure FDA0001853651310000013
极差Ri的上下限分别按下式计算：
Figure FDA0001853651310000014
其中
Figure FDA0001853651310000015
其中，
Figure FDA0001853651310000016
分别为
Figure FDA0001853651310000017
的上限、中心线、下限，UCLR、CenterR、LCLR分别为Ri的上限、中心线、下限，A2、D3、D4是与n有关的统计参数；
(4)检查在
Figure FDA0001853651310000018
之外
Figure FDA0001853651310000019
的数据个数是否超过m·P1，检查在[UCLR,LCLR]之外Ri的数据个数是否超过m·P2，其中P1是当结构处于正常状态下时
Figure FDA00018536513100000110
在
Figure FDA00018536513100000111
Figure FDA00018536513100000112
之外的概率，P2是当结构处于正常状态下时Ri在[UCLR,LCLR]之外的概率，如果上述二者之一超过，即表明结构处于损伤状态，完成对结构损伤的检测。
2.根据权利要求1所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其特征在于所述的结构响应数据xk包括加速度、速度、位移和应变，且在相同时间间隔采集。
3.根据权利要求1所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其特征在于
Figure FDA00018536513100000113
UCLR、LCLR的设置原则为使所述的P1在0.27％至1％范围内，使所述的P2在0.27％至1％范围内。
4.根据权利要求1所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其特征在于：n＝4，A2＝0.729，D3＝0，D4＝2.282。
5.根据权利要求1所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其特征在于：n＝5，A2＝0.577，D3＝0，D4＝2.114。
6.根据权利要求1所述的基于统计过程控制的土木工程结构损伤检测方法，其特征在于：n＝6，A2＝0.483，D3＝0，D4＝2.004。
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CN102066920A (zh) * 2008-02-13 2011-05-18 国立大学法人京都工芸纤维大学 结构物损伤的诊断方法及装置

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结构损伤动力检测与健康监测研究现状与展望;朱宏平 等;《工程力学》;20110225;第28卷(第2期);第1-8页 *

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