CN1740770A - 大型结构物无损伤的健康检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是大型结构物无损伤的健康检测方法，其步骤有：存储步骤；识别定位步骤；损伤程度评估步骤；比较确定步骤。根据这个方法可有效地监测出结构物损伤位置并验证诊伤结果的正确性。应用本检测方法中的结构拉压模态应变能诊伤指标(AMSECR)；和/或结构弯曲模态应变能诊伤指标(TMSECR)，计算诊伤指标的数值；从而诊断确定结构损伤位置。在诊断确定损伤程度的过程中，根据计算的诊伤指标数值，依据SD_j≥－1，确定结构损伤程度；进一步确定结构物安全/或不安全。本发明提出适用于大型结构实时监测的方法，用于建立结构物健康监测系统，提高结构物的疲劳寿命和极大环境载荷下的生存能力，以达到提高结构物的安全性、经济性以及使作业人员有安全感。

Description

大型结构物无损伤的健康检测方法

技术领域

本发明涉及大型土木工程结构物健康监测系统的改进，具体讲是一种大型结构物无损伤的健康检测方法。其主要针对海洋平台等复杂的大型土木工程结构物，在环境载荷激励下，利用动力测试对结构进行无损检测方法。本发明提出适用于海洋平台等大型结构实时监测的损伤诊断方法，用于建立结构健康监测系统，提高结构的疲劳寿命和极大环境载荷下的生存能力，以达到提高结构的安全性、经济性以及使作业人员有安全感。

背景技术

众所周知，环境激励力是不易测试得到的，因此基于环境载荷作用下的结构损伤诊断技术对于海洋平台实时的结构健康监测是非常关键的。人工施加激励力对于大型土木工程结构需要大量的专用设备并且使得测试十分昂贵。此外，大型结构物在其服役期间损伤不可避免。海洋平台结构长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到如风载荷、波浪载荷、冰载荷等各种载荷的交互作用，有时还要遭到地震、台风、海啸、船碰等意外打击。海洋平台结构本身还要遭受环境腐蚀，地基土冲刷等影响的作用，其结构复杂、造价昂贵。一旦发生事故，不仅会对海洋环境造成很大的污染，还会带来不可估量的经济损失和人员伤亡，造成不好的社会政治影响。通常大型结构物的损伤在结构服役期间是不可避免的。但是，为确保人员的生命安全、减少财产损失，唯一方法是早日诊断出结构物的结构损伤，并能及时进行修复工作。由于海洋平台结构的使用不能中断以及昂贵的造价，在役结构的安全评估应该是无损或微损的方法，目测是通常所用的无损检测方法，对于如构件断裂的损伤，目测能够判定损伤。然而，对于材料老化造成的损伤、损伤在不可靠近的区域或者被油漆、锈以及海洋生物覆盖着是很难利用目测检测损伤的，所以利用目测进行无损检测是不可靠的。如果模态参数是通过环境载荷激励条件下识别的，基于该技术的损伤诊断方法更容易被应用，发展远程的、自动的结构健康监测系统将是可行的，但是这种条件下得到的结构模态振型是无法质量归一化的，而对于海洋平台这样的复杂结构，单一的损伤指标损伤位置精确定位是无法实现。其它无损检测技术，如X光检测、超声检测、工业CT等方法也属于结构局部损伤检测方法。这类技术仅仅用于损伤区域已知，即使环境载荷激励下的模态参数能够识别，可是识别出来的模态参数无法质量归一化，因此，大多目前发展研究的诊伤算法是不适用的。此外，这些技术还要求特殊的测试设备和专业人员。因此，这些方法对于海洋平台结构的无损检测是不方便的并且是昂贵的。

发明内容

从基于结构动力特性变化的结构无损检测方法的文献综述中，可以看到大多数方法存在一些实际应用的局限，需要质量归一化的振型，以及完备的模态信息、高阶的模态参数等等。本发明针对上述局限性，提出新的发明目的是：应用模态应变能分解无损检测方法。提出损伤定位指标，不需要质量归一化的振型，利用结构损伤前后的前三阶模态振型即可。此外，本发明的模态应变能分解法诊伤指标无需已知结构本身的材料特性，只需结构构件连接之间的拓扑信息。本发明的方法要用于多种损伤工况下，并能够精确定位出海洋平台结构的损伤位置，使得本发明的方法具有实际应用价值。

本发明是基于一个典型的海洋平台结构或者其它三维框架结构，其主要构件是由桩构件，水平撑构件以及斜撑构件组成的。当考虑的模态仅仅是以水平或侧向振动为主，而不是上下(垂直)振动，则桩构件的模态应变能将是以弯曲模态应变能变化为主。在另外一方面，水平撑构件的模态应变能将是以拉压模态应变能变化为主。当一个海洋平台结构的构件刚度损失时，相应于结构整体刚度矩阵的该构件矩阵元素值将会降低。与此相对应，构件自由度附近的模态振型将会有显著的变化。因为这些节点是与损伤构件和未损伤构件相连接的，所以由此构件损伤引起单元模态应变能变化将不仅仅是损伤构件本身，也将包括这些与损伤构件相连的构件。

本发明的任务是由以下技术方案完成的，研制了一种大型结构物无损伤的健康检测方法，所述的检测方法是基于大型结构物在役结构动力特性而实施的方法，其包括如下步骤：

(1)存储步骤：首先，将上述结构物的结构未损伤状态下的环境激励下结构动力响应数据存储入专用存储器中；其次，将上述结构物的在役结构动力损伤状态下，即将结构服役阶段的环境激励下传感器实测的结构动力响应数据存储入专用存储器中；

(2)识别定位步骤：利用自然激励技术识别出上述结构物结构损伤前、后的模态参数，确定结构构件损伤出现的位置；

即首先，将模态参数扩阶，其次，应用有限元模型将传感器实测的自由度凝聚；再次，进行结构环境激励下的模态参数识别：应用模态应变能分解法诊断上述结构物的结构构件损伤位置；

(3)损伤程度评估步骤：利用自然激励技术识别出上述结构物结构构件损伤前、后的模态参数，利用结构拉压模态应变能变化指标和/或结构弯曲模态应变能变化指标，分析评估上述结构物结构损伤程度；

(4)比较确定步骤：根据上述(1)——(3)步骤，确定上述结构物结构构件的损伤程度的评估指标数值在：-1≤SD_j≤0范围内，式中SD_j表示结构构件的损伤程度。

所述的(2)识别定位步骤中应用模态应变能分解法诊断结构构件损伤的位置，是利用结构拉压模态应变能变化，即：

1)、使用结构拉压模态应变能诊伤指标： $Z_j^a=\frac{{\mathrm{\β}}_j^a-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}^a}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}^a}}$ ①式中结构拉压模态应变能变化为： ${\mathrm{\β}}_j^a=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_{j0}^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}+{{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}){{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i}{({{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_{j0}^a{\mathrm{\Φ}}_i+{{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i){{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}$ ②式中Φ_i，Φ_i ^*＝分别指结构损伤前和损伤后的模态振型，其中上标″T″指转置，K_j0＝K_j/E_j和K_j＝j单元未损伤系统刚度矩阵，K₀ ^a是通过单元矩阵K_j0 ^a组装起来的系统矩阵；β_j ^a还表示E_j/E_j ^*之比，E_j，E_j ^*各表示结构未损伤和损伤后的结构构件的弹性模量，来估计上述结构物的结构构件的损伤位置；和/或

2)、使用结构弯曲模态应变能诊伤指标： $Z_j^t=\frac{{\mathrm{\β}}_j^t-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}^t}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}^t}}$ ③式中结构弯曲模态应变能变化为； ${\mathrm{\β}}_j^t=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NM}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_{j0}^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}+{{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}){{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i}{({{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_{j0}^t{\mathrm{\Φ}}_i+{{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i){{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}$ ④式中Φ_i，Φ_i ^*＝分别指结构损伤前和损伤后的模态振型，其中上标″T″指转置，K_j0＝K_j/E_j和K_j＝j单元未损伤系统刚度矩阵，K₀ ^t是通过单元矩阵K_j0 ^t组装起来的系统矩阵；β_j ^t还表示E_j/E_j ^*之比，E_j，E_j各表示结构未损伤和损伤后的结构构件的弹性模量，来估计上述结构物的结构构件的损伤位置。

所述的(3)损伤程度评估步骤中分析评估结构损伤程度，是利用上述结构物的结构拉压模态应变能变化指标，

即 ${\mathrm{SD}}_j={\mathrm{\α}}_j^a=\frac{{E_j^a}^{*}-E_j^a}{E_j^a}=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_j^a}-1$ ⑤式中SD_j≥-1，来估计上述结构物的结构构件的损伤程度；和/或利用上述结构物的结构弯曲模态应变能变化指标，

即 $\stackrel{*}{S}{D}_j={\mathrm{\α}}_j^t=\frac{{E_j^t}^{*}-E_j^t}{E_j^t}=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_j^t}-1$ ⑥式中SD_j≥-1，来估计上述结构物的结构构件的损伤程度；

确定上述结构物的结构构件的损伤程度判断指标：如果SD_j＝0，则表示上述结构物的j单元结构构件没有损伤；如果SD_j＝-1，则表示上述结构物的j单元结构构件的刚度完全丧失；即确定结构构件的损伤程度评估指标数值在：-1≤SD_j≤0范围内。

所述的结构设计阶段的环境激励下结构动力响应数据，其或是加速度，和/或是速度，和/或是位移，和/或是弹性模量。

所述的结构服役阶段的环境激励下传感器实测的结构动力响应数据，其或是加速度，和/或是速度，和/或是位移，和/或是弹性模量。

本发明提出的模态应变能分解法的优点在于：由于诊伤的两个指标对于：如果水平撑或斜撑构件损伤了，撑构件的拉压模态应变能诊伤指标将会变化最大，而与损伤单元相连的桩构件的弯曲模态应变能指标值将会变化较大；如果是垂直的桩构件损伤了，桩构件的弯曲模态应变能指标值将会变化较大，而与桩构件相连的撑构件的拉压模态应变能指标值将会变化较大。根据这个原理可以有效的监测出结构的损伤位置并且进一步验证诊伤结果的正确性。

本发明的对大型结构物环境激励下动力诊伤流程如下：

1)、存储步骤：将结构物未损伤状态下环境激励下结构动力响应数据存储入专用存储器中；再在结构物服役阶段时，将结构损伤状态下环境激励下结构动力响应数据也存储入该专用存储器中；

2)、参数扩阶步骤：对结构物环境激励下的模态参数进行模态参数扩阶；

3)、模态频率和振型的识别步骤：对结构物环境激励下的参数扩阶的模态参数进行模态频率和振型的识别；

4)、确定损伤是否出现步骤：比较结构物损伤前与损伤后的模态参数变化，确定结构损伤是否出现，即或损伤，或未损伤；

5)、计算诊伤指标步骤：应用结构拉压模态应变能诊伤指标(AMSECR)；和/或结构弯曲模态应变能诊伤指标(TMSECR)，计算诊伤指标(AMSECR)和/或(TMSECR)的数值；诊断确定结构损伤位置；

6)、诊断确定损伤程度步骤：根据计算诊伤指标(AMSECR)和/或(TMSECR)的数值，诊断确定结构损伤程度；

7)、确定结构是否安全步骤：根据SD_j≥-1，确定结构安全/或不安全；

8)、进一步详细诊伤步骤：根据具体情况，进一步对结构进行详细诊伤。

附图及其具体实施方式

本发明的实施例结合附图进一步说明如下：

图1为：本发明的实施海洋平台结构有限元模型图。

图2为：本发明的实施海洋平台结构的轴向诊伤指标曲线图(工况A)。

图3为：本发明的实施海洋平台结构的横向诊伤指标曲线图(工况A)。

图4为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^a单元位置示意图(工况A)。

图5为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^t单元位置示意图(工况A)。

图6为：本发明的实施海洋平台结构的轴向诊伤指标曲线图(工况B)。

图7为：本发明的实施海洋平台结构的弯曲诊伤指标曲线图(工况B)。

图8为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^a单元位置示意图(工况B)。

图9为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^t单元位置示意图(工况B)。

图10为：本发明的实施海洋平台结构的轴向诊伤指标曲线图(工况C)。

图11为：本发明的实施海洋平台结构的弯曲诊伤指标曲线图(工况C)

图12为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^a单元位置示意图(工况C)。

图13为：本发明的实施海洋平台结构的指标Z_j ^t单元位置示意图(工况C)。

图14为：本发明的诊断复杂三维结构损伤流程示意图。

具体实施例如下，本发明的保护范围不仅局限于以下实施例中。

一、建立海洋平台有限元数值模型：

本发明的实施例是模拟研究了海洋平台结构位于水深97.4m，结构由垂直的桩、水平撑和斜撑构件组成，共207个单元，见图1所示。利用商业有限元软件(Ansys Version7.0，ANSYS Inc.，275 Technology Drive，Canonsburg，PA 15317.)产生了模拟的动力响应数据。本发明采用的加速度传感器，其型号：美国SILICON DESIGNS公司出产，Model2220-005。另外，采用了数据采集仪，其型号：德国Imc集成测控有限公司出产，PL16-DCB8。此外平台上的建筑物用质量单元模拟，还使用了几种特殊的结构单元，包括模拟海洋环境载荷，如波浪，流，附加质量等。

二、损伤诊断分析：

前面所介绍的有限元模型是作为一个基准模型。为了便于诊伤结果的说明，海洋平台结构的每一个单元用一个数标示。本实施例模拟了三种典型的损伤工况，包括水平撑构件损伤，斜撑构件和桩构件损伤。具体的损伤工况见表1所示。

表1  模拟损伤工况：

损伤工况	损伤构件	单元号	构件刚度缩减
				A	水平撑	14	5％
B	斜撑	105	5％
				C	桩单元	78&79	10％

1)损伤工况A——水平撑构件损伤：第一个损伤工况模拟的是单元14刚度损失5％；运用本文所提的模态应变能分解法：图2中给出了轴向诊伤指标值Z_j ^a；图3给出了横向诊伤指标值Z_j ^t。从图2，图3，图4，图5中易见，水平撑构件14和斜撑构件106(其位置示意图见图4)的诊伤指标Z_j ^a较大，因此这两个构件可能是损伤单元。与此相类似，桩构件79，78和55(其位置示意图见图5)也是可能损伤的单元构件。如果桩单元损伤了，那么该构件附近的水平撑/斜撑构件的Z_j ^a指标值较大，显而易见，图2中并不是这样的。在另外一方面，如果水平撑构件14损伤了，其附近的撑构件如79，78，55的横向诊伤指标值Z_j ^t较大。因此，可以得出结论水平撑单元14损伤了。

2)损伤工况B——斜撑构件损伤：第二个损伤工况模拟的是单元105刚度损失5％；轴向诊伤指标Z_j ^a，和横向诊伤指标值Z_j ^t，分别显示在图6和图7。从图6中，可以看出斜撑构件105和106可能存在损伤，(其位置示意图如图8)。同理，由图7中，易分析得出垂直桩单元56和80可能存在损伤(其位置示意图如图9)。如果损伤单元是桩单元56或80，其附近的斜撑和水平撑构件的Z_j ^a的指标值必然较大，但是从图6中易见并不存在。斜撑单元105或106损伤了，其附近的桩单元56，80的，Z_j ^t指标值较大，因此这两个构件损伤的可能性较大。由于单元105的，Z_j ^t指标值较单元106的大，所以可以确信是单元105发生了损伤。

3)损伤工况C——垂直的桩构件损伤：第三种损伤工况模拟的是桩构件单元78和单元79刚度损失10％；诊伤指标值Z_j ^t和Z_j ^t在图10和图11所示。由图10可以看出：斜撑构件94和96(其位置示意图见12)与其它一些构件拥有较大的Z_j ^a；这也表明该指标值对于识别损伤单元仅仅起一个辅助作用。从诊伤指标值Z_j ^t，易见垂直的桩构件单元78和79可能是损伤单元(其位置示意图见图13)。根据前面介绍的诊伤基本原理，不难推断出是单元78和79损伤了，并且这两个单元附近的斜撑和水平撑构件的Z_j ^a诊伤指标值较大。

本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，其都没有超出本发明的保护范围。

Claims (5)

1、一种大型结构物无损伤的健康检测方法，其特征在于：所述的检测方法是基于大型结构物在役结构动力特性而实施的方法，其包括如下步骤：

(1)存储步骤：首先，将上述结构物的结构未损伤状态下，即将结构设计阶段的环境激励下结构动力响应数据存储入专用存储器中；其次，将上述结构物的在役结构动力损伤状态下，即将结构服役阶段的环境激励下传感器实测的结构动力响应数据存储入专用存储器中；

(2)识别定位步骤：利用自然激励技术识别出上述结构物结构损伤前、后的模态参数，确定结构构件损伤出现的位置；

即首先，将模态参数扩阶，其次，应用有限元模型将传感器实测的自由度凝聚；再次，进行结构环境激励下的模态参数识别：应用模态应变能分解法诊断上述结构物的结构构件损伤位置；

(3)损伤程度评估步骤：利用自然激励技术识别出上述结构物结构构件损伤前、后的模态参数，利用结构拉压模态应变能变化指标和/或结构弯曲模态应变能变化指标，分析评估上述结构物结构损伤程度；

(4)比较确定步骤：根据上述(1)——(3)步骤，确定上述结构物结构构件的损伤程度的评估指标数值在：-1≤SD_j≤0范围内，式中SD_j表示结构构件的损伤程度。

2、根据权利要求1所述大型结构物无损伤的健康检测方法，其特征在于：所述的(2)识别定位步骤中应用模态应变能分解法诊断结构构件损伤的位置，是利用结构拉压模态应变能变化，即：

1)、使用结构拉压模态应变能诊伤指标： $Z_j^a=\frac{{\mathrm{\β}}_j^a-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}^a}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}^a}}$ ①式中结构拉压模态应变能变化为： ${\mathrm{\β}}_j^a=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_{j0}^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}+{\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}){{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i}{({{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_{j0}^a{\mathrm{\Φ}}_i+{{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i){\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_0^a{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}$ ②式中Φ_i，Φ_i ^*＝分别指结构损伤前和损伤后的模态振型，其中上标″T″指转置，K_j0＝K_j/E_j和K_j＝j单元未损伤系统刚度矩阵，K₀ ^a是通过单元矩阵K_j0 ^a组装起来的系统矩阵；β_j ^a还表示E_j/E_j ^*之比，E_j，E_j ^*各表示结构未损伤和损伤后的结构构件的弹性模量，来估计上述结构物的结构构件的损伤位置；和/或

2)、使用结构弯曲模态应变能诊伤指标： $Z_j^t=\frac{{\mathrm{\β}}_j^t-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\β}}^t}}{{\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\β}}^t}}$ ③式中结构弯曲模态应变能变化为； ${\mathrm{\β}}_j^t=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{NM}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_{j0}^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}+{\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}){{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i}{({{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_{j0}^t{\mathrm{\Φ}}_i+{{\mathrm{\Φ}}_i}^T{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i){\mathrm{\Φ}}_i^{*T}{K}_0^t{\mathrm{\Φ}}_i^{*}}$ ④式中Φ_i，Φ_i ^*＝分别指结构损伤前和损伤后的模态振型，其中上标″T″指转置，K_j0＝K_j/E_j和K_j＝j单元未损伤系统刚度矩阵，K₀ ^t是通过单元矩阵K_j0 ^t组装起来的系统矩阵；β_j ^t还表示E_j/E_j ^*之比，E_j，E_j各表示结构未损伤和损伤后的结构构件的弹性模量，来估计上述结构物的结构构件的损伤位置。

3、根据权利要求1所述大型结构物无损伤的健康检测方法，其特征在于：所述的(3)损伤程度评估步骤中分析评估结构损伤程度，是利用上述结构物的结构拉压模态应变能变化指标，即 ${\mathrm{SD}}_j={\mathrm{\α}}_j^a=\frac{E_j^{a^{*}}-E_j^a}{E_j^a}=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_j^a}-1$ ⑤式中SD_j≥-1，来估计上述结构物的结构构件的损伤程度；和/或利用上述结构物的结构弯曲模态应变能变化指标，即 ${\mathrm{SD}}_j={\mathrm{\α}}_j^t=\frac{E_j^{t^{*}}-E_j^t}{E_j^t}=\frac{1}{{\mathrm{\β}}_j^t}-1$ ⑥式中SD_j≥-1，来估计上述结构物的结构构件的损伤程度；

确定上述结构物的结构构件的损伤程度判断指标：如果SD_j＝0，则表示上述结构物的j单元结构构件没有损伤；如果SD_j＝-1，则表示上述结构物的j单元结构构件的刚度完全丧失；即确定结构构件的损伤程度评估指标数值在：-1≤SD_j≤0范围内。

4、根据权利要求1所述大型结构物无损伤的健康检测方法，其特征在于：所述的结构设计阶段的环境激励下结构动力响应数据，其或是加速度，和/或是速度，和/或是位移，和/或是弹性模量。

5、根据权利要求1所述大型结构物无损伤的健康检测方法，其特征在于：所述的结构服役阶段的环境激励下传感器实测的结构动力响应数据，其或是加速度，和/或是速度，和/或是位移，和/或是弹性模量。

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