專利名稱：用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程結(jié)構(gòu)健康診斷的方法。
背景技術(shù)：
工程結(jié)構(gòu)其使用年限在幾十年甚至上百年，環(huán)境侵蝕、材料老化疲勞效應(yīng) 及突發(fā)災(zāi)難等耦合作用將不可避免的導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷積累和抗力衰減，從而導(dǎo) 致結(jié)構(gòu)抵抗自然災(zāi)難，甚至正常環(huán)境作用的能力下降，極端條件下會(huì)引發(fā)災(zāi)難 事故。為保證結(jié)構(gòu)的健康即安全性、完整性、適用性、耐久性需要對(duì)在役結(jié)構(gòu) 進(jìn)行檢測(cè)并評(píng)定其健康狀況。
目前基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是土木工程行業(yè)的熱 點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，通常要根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估。例如， 根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定》規(guī)范規(guī)定的"正常使用極限條件下的結(jié)構(gòu)撓度限
值為跨度的1/250"等條文可作為結(jié)構(gòu)工作性能和安全性能評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)。但在 具體實(shí)施中往往發(fā)生一些困難1、靜載實(shí)驗(yàn)的儀器架設(shè)困難。對(duì)于用于工程 監(jiān)測(cè)和鑒定的設(shè)備因保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和獲得一定的精度，因此儀器架設(shè) 要求嚴(yán)格。限于工程現(xiàn)場(chǎng)客觀操作條件，特定位置儀器架設(shè)困難甚至無(wú)法架設(shè)， 直接影響到檢測(cè)工作的進(jìn)程和效果。2、現(xiàn)場(chǎng)客觀條件制約結(jié)構(gòu)的測(cè)試行為。 在進(jìn)行靜力測(cè)試的過(guò)程中，需要停止生產(chǎn)或者封閉擬測(cè)試的結(jié)構(gòu)，比如禁止一 切車輛通過(guò)擬測(cè)橋梁等，同時(shí)靜載加、卸過(guò)程通?；ㄙM(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，致使某些必 要的試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行或造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。3、成本高昂。靜力測(cè)試需要對(duì)結(jié) 構(gòu)實(shí)施很大的荷載，特別是大型的結(jié)構(gòu)，荷載的施加消耗大量的人力物力，試驗(yàn)成本昂貴，同時(shí)耗時(shí)巨大。4、振動(dòng)測(cè)試尚無(wú)安評(píng)依據(jù)?；诮Y(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)
的動(dòng)力測(cè)試方法最大的問(wèn)題在于對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能缺少規(guī)范等條文指導(dǎo)，所有
很難對(duì)結(jié)構(gòu)的工作性能尤其是結(jié)構(gòu)的安全性能做出定量、定性的結(jié)論。
如前所述，基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別和鑒定加固技術(shù)存在 若干亟待解決的難題。以上的問(wèn)題制約了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)的結(jié)構(gòu)損傷
識(shí)別方法在工程實(shí)踐的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法存在靜載測(cè)試儀器架設(shè)困難、測(cè) 試不易實(shí)現(xiàn)、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，進(jìn)而提供了一種用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng) 靜結(jié)合方法。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的用于工程結(jié) 構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟一、確定待測(cè)對(duì)象選定至少三個(gè)測(cè)試對(duì)象，且所述至少三個(gè)測(cè)試對(duì) 象均滿足廣義對(duì)稱條件的梁式結(jié)構(gòu)；
步驟二、制定測(cè)試方案從待測(cè)對(duì)象中選取兩個(gè)結(jié)構(gòu)作為樣本進(jìn)行動(dòng)載、 靜載測(cè)試，根據(jù)待測(cè)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)工程條件及承載變形能力確定靜力加載點(diǎn)和擬 定加載量級(jí)；并在樣本結(jié)構(gòu)上布置位移計(jì)，在樣本結(jié)構(gòu)上安裝加速度傳感器及 配套的采集儀器和計(jì)算機(jī)；
步驟三、依據(jù)既定測(cè)試方案對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行分級(jí)加載測(cè)試；通過(guò)若干個(gè)靜 力測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分別得到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的剛度值yt,、 通過(guò)模態(tài)識(shí)別分別得
到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的固有頻率值/;和/2;從而得到兩組靜、動(dòng)參數(shù)(乂，A)和其中^和^為剛度，單位為牛/米；
乂和/2為固有頻率，單位為赫茲； 步驟四、判斷在步驟三中所得的兩組靜、動(dòng)參數(shù)(乂A)和(/2入)是否 為有效測(cè)量數(shù)據(jù)；如果是啟動(dòng)步驟五，否則；重復(fù)步驟二和步驟三，據(jù)測(cè)試信 息修改測(cè)試方案或測(cè)試其它樣本結(jié)構(gòu)，直到得到兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(7iA) 和(/2,/fc2 )為止；
步驟五、建立動(dòng)、靜關(guān)系模型/(" = ",2 (1)
",和^為未知系數(shù)，利用在上述步驟獲得的兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(y;A)
和(/2,^)測(cè)量值求出(1)式中的未知系數(shù)"，和。2;
步驟六、測(cè)試待測(cè)對(duì)象中其它結(jié)構(gòu)的頻率值/3、 /4……/ ，通過(guò)(1)式
求出其它結(jié)構(gòu)的剛度值&、 *4……&;
步驟七、損傷評(píng)定根據(jù)公試八=^ ，求出待測(cè)對(duì)象的各個(gè)撓度值A(chǔ)。
A2……A";判斷A"是否滿足A,^[A];進(jìn)而得出損傷評(píng)定結(jié)果；
其中P為極限使用條件下的荷載，尸值可來(lái)自工程設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、 或結(jié)合工程實(shí)際情況合理估算。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明較比傳統(tǒng)的靜力測(cè)試方法或者是僅基于結(jié)構(gòu) 動(dòng)力參數(shù)的動(dòng)力測(cè)試方法，具有操作性強(qiáng)、測(cè)試周期短、節(jié)省時(shí)間、降低成本、 安全可靠、快速、造價(jià)低等特點(diǎn)。具體實(shí)施時(shí)，僅需對(duì)其中幾個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力 和動(dòng)力的聯(lián)合測(cè)試，剩余的檢測(cè)對(duì)象僅需要?jiǎng)恿y(cè)試即可達(dá)到靜力檢測(cè)的效 果。具體而言，首先在待測(cè)的結(jié)構(gòu)中選取幾個(gè)結(jié)構(gòu)作為樣本，通過(guò)分級(jí)加載的 方式，采集各個(gè)樣本關(guān)鍵位置(如鋼桁架跨中)的撓度值，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)分析技術(shù) 獲得樣本的剛度信息；然后對(duì)樣本進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，獲得樣本結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息(如結(jié)構(gòu)固有頻率)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立二者的回歸關(guān)系。對(duì)樣本外的其余結(jié) 構(gòu)僅需進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，通過(guò)動(dòng)、靜參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得結(jié)構(gòu)的剛度信息，結(jié)合 我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)規(guī)定評(píng)判結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。本發(fā)明方法融合了振 動(dòng)測(cè)試和靜力測(cè)試技術(shù)的特點(diǎn)，能夠解決具有對(duì)稱或廣義對(duì)稱的若干類工程結(jié) 構(gòu)的健康檢測(cè)和健康診斷問(wèn)題。本發(fā)明適用于具有廣義對(duì)稱性的且具有一定數(shù) 量的大跨梁式結(jié)構(gòu)的健康診斷方法，該方法經(jīng)過(guò)靜——?jiǎng)印o的技術(shù)工藝能 經(jīng)濟(jì)、方便、高效地進(jìn)行在役結(jié)構(gòu)的健康診斷。本發(fā)明涉及橋梁、工民用建筑 等土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)、檢測(cè)領(lǐng)域，尤其適用于具有廣義對(duì)稱性且具備一 定數(shù)量的大跨梁式結(jié)構(gòu)的健康診斷，如拓?fù)湫问较嗤娜舾设旒芙Y(jié)構(gòu)、型式相 同的若干橋梁等。具體說(shuō)，涉及到在役結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、測(cè)試策略、信息采集 與處理、安全診斷等。
本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在下幾個(gè)方面
(1) 克服了靜力方法實(shí)施周期長(zhǎng)，費(fèi)用高的缺點(diǎn)，本發(fā)明的方法可經(jīng)濟(jì)、 方便、高效地?cái)喽ńY(jié)構(gòu)的安全性。
(2) 該發(fā)明采用基于正確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立動(dòng)測(cè)、靜測(cè)數(shù) 據(jù)之間的關(guān)系，切實(shí)解決某些特定位置結(jié)構(gòu)撓度的測(cè)算問(wèn)題，可以避免以前用 估計(jì)的方法帶來(lái)的誤差。
(3) 開創(chuàng)性地解決了通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性定量定性分析的 技術(shù)難題。


圖l是本發(fā)明的流程框圖，圖2是荷載一撓度原理曲線圖(A表示推測(cè)內(nèi) 力撓度，B表示試驗(yàn)加載，C表示原內(nèi)力，D表示試驗(yàn)量測(cè)撓度，E表示桁架變 形總撓度，F(xiàn)表示規(guī)范規(guī)定的撓度限值，G表示該圖例明確顯示結(jié)構(gòu)安全服役)，圖3是鋼管構(gòu)造的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)加載方案圖，圖4是通過(guò)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得結(jié)構(gòu)
剛度的荷載-撓度曲線圖(樣本2)，圖5是處理軟件顯示的動(dòng)載測(cè)量結(jié)果圖(樣 本2)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一如圖1和2所示，本實(shí)施方式所述的用于工程結(jié)構(gòu)健康 診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟一、確定待測(cè)對(duì)象選定至少三個(gè)測(cè)試對(duì)象，且所述至少三個(gè)測(cè)試對(duì) 象均滿足廣義對(duì)稱條件的梁式結(jié)構(gòu)；滿足"廣義對(duì)稱條件"系指待測(cè)的各個(gè)結(jié) 構(gòu)具有相同或相似拓?fù)湫问?，幾何尺?結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的長(zhǎng)、寬、高等尺寸)和 邊界條件(結(jié)構(gòu)支座或支撐條件及與周圍環(huán)境的關(guān)系)相同或相近；
選定多個(gè)(至少三個(gè))梁式結(jié)構(gòu)作為測(cè)試對(duì)象，所述的多個(gè)梁式結(jié)構(gòu)均應(yīng) 滿足廣義對(duì)稱條件。梁式結(jié)構(gòu)系指在工程中計(jì)算簡(jiǎn)圖為簡(jiǎn)支梁、懸挑梁、剛性 支座梁的長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)。(如橋梁的橋體、吊車梁、大跨桁架結(jié)構(gòu)、煙筒、信號(hào)發(fā) 射塔等)。廣義對(duì)稱條件指選定的多個(gè)梁式結(jié)構(gòu)之間在幾何尺寸、材質(zhì)、邊界 條件上均相同或相似。例如按照一份圖紙建造的20座手機(jī)信號(hào)塔，在構(gòu)件尺
寸、材質(zhì)及塔底支座處的嵌固條件上差別很小，則此20個(gè)塔結(jié)構(gòu)構(gòu)成的測(cè)試
對(duì)象可運(yùn)用動(dòng)靜結(jié)合法進(jìn)行健康診斷，每個(gè)塔可作視為測(cè)試對(duì)象中的一個(gè)待測(cè) 結(jié)構(gòu)；
步驟二、制定測(cè)試方案從待測(cè)對(duì)象中選取兩個(gè)結(jié)構(gòu)作為樣本進(jìn)行動(dòng)載(振 動(dòng))、靜載測(cè)試，根據(jù)待測(cè)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)工程條件及承載變形能力確定靜力加載 點(diǎn)和擬定加載量級(jí)；并在樣本結(jié)構(gòu)上布置位移計(jì)，在樣本結(jié)構(gòu)上安裝加速度傳 感器及配套的采集儀器、計(jì)算機(jī)；
步驟三、依據(jù)既定測(cè)試方案對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行分級(jí)加載測(cè)試；通過(guò)若干個(gè)靜力測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分別得到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的剛度值&、 通過(guò)模態(tài)識(shí)別分別得 到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的固有頻率值,和/2;從而得到兩組靜、動(dòng)參數(shù)(,a)和
(/2，"
其中fc,和&為剛度，單位為牛/米；
,和/2為固有頻率，單位為赫茲；
步驟四、判斷在步驟三中所得的兩組靜、動(dòng)參數(shù)(/a)和(/2,&)是否
為有效測(cè)量數(shù)據(jù)；如果是啟動(dòng)步驟五，否則；重復(fù)步驟二和步驟三，據(jù)測(cè)試信
息修改測(cè)試方案或測(cè)試其它樣本結(jié)構(gòu)，直到得到兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(/a )
和(/2，&)為止；
步驟五、建立動(dòng)、靜關(guān)系模型/(" = "^。2 (1)
a'和^為未知系數(shù)，利用在上述步驟獲得的兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(/a )
和(/2，、)測(cè)量值求出(1)式中的未知系數(shù)fl,和。2;
歩驟六、測(cè)試待測(cè)對(duì)象中其它結(jié)構(gòu)的頻率值/,、 /4……/ ，通過(guò)(1)式
求出其它結(jié)構(gòu)的剛度值&、、……、；
步驟七、損傷評(píng)定根據(jù)公試A-f ，求出待測(cè)對(duì)象的各個(gè)撓度值A(chǔ)。
A2……A ;判斷Aw是否滿足、S[A];進(jìn)而得出損傷評(píng)定結(jié)果；
其中P為極限使用條件下的荷載，戶值可來(lái)自工程設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)、 或結(jié)合工程實(shí)際情況合理估算。
在步驟七中，對(duì)比結(jié)果獲得結(jié)構(gòu)的損傷信息，按以下判據(jù)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行 安全評(píng)估(1)以我國(guó)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)《規(guī)范》中相關(guān)條文中規(guī)定的結(jié)構(gòu)剛度限制為 結(jié)構(gòu)的健康準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)的剛度信息判斷結(jié)構(gòu)的安全性能。本發(fā)明中首 次提出荷載——撓度原理曲線，可依此原理可判斷所測(cè)結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)條件下的安全性能。(2)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)頻率與樣本實(shí)測(cè)頻率的誤差不應(yīng)超過(guò)4%，
超過(guò)此值應(yīng)進(jìn)行靜力實(shí)驗(yàn)。(3)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，結(jié)構(gòu)的支撐情況、局
部的完好程度均應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范予以考慮。
在步驟二中，測(cè)試方案包括儀器架設(shè)及加載方案。位移測(cè)量可選用合適量 程的千分表(百分表)，儀表架立在剛性支座上，或者選用諸如拉線位移計(jì)、 激光位移器等可精確測(cè)量位移的其它儀器。振動(dòng)測(cè)試所用傳感器應(yīng)合理布置在 能反應(yīng)待測(cè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)特點(diǎn)的關(guān)鍵部位上，同時(shí)在相鄰結(jié)構(gòu)上也需布置傳感器以 方便結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。加載設(shè)備可根據(jù)工程特點(diǎn)選用合適的方法，但要求 加載設(shè)備加載過(guò)程中質(zhì)量可控。如采用標(biāo)準(zhǔn)配重分級(jí)加載或注水、停車、移動(dòng) 軌道式起吊車等。
在步驟二中采用分級(jí)加載，每級(jí)加載完成后穩(wěn)定15分鐘再進(jìn)行儀表讀數(shù)， 讀數(shù)完成后立即進(jìn)行(振動(dòng))動(dòng)載測(cè)試。振動(dòng)測(cè)試指通過(guò)傳感器和釆集儀采集 結(jié)構(gòu)物靜力加載點(diǎn)附近由環(huán)境脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息，條件允許時(shí)可采用人 工脈沖、激振器掃頻、白噪聲(白噪聲是一般的專業(yè)，在本科、研究生教科書 中可査)激振等方法對(duì)結(jié)構(gòu)激振。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儀器的精度應(yīng)滿足工程 要求。
樣本結(jié)構(gòu)的剛度信息通常是依據(jù)儀表讀數(shù)及加載信息按線性回歸的方式獲 得。模態(tài)f會(huì)息根據(jù)采集器記錄的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間域的分析或通過(guò)FFT (傅立葉 變化)、自功率譜等頻率和相位的分析技術(shù)獲得。
建立動(dòng)、靜參數(shù)的定量關(guān)系指建立結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)(頻率)等與結(jié)構(gòu)的靜 力參數(shù)(剛度)關(guān)系，這種關(guān)系可以是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系也可是具有強(qiáng)相關(guān)性 的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，其目的是已知?jiǎng)恿?shù)的條件下合理估計(jì)出結(jié)構(gòu)的靜力參數(shù)。本發(fā)明依據(jù)結(jié)構(gòu)靜載實(shí)驗(yàn)的荷載——撓度原理曲線(如圖2)可結(jié)合工程 現(xiàn)場(chǎng)的條件靈活地實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算，進(jìn)而反演出結(jié)構(gòu)在使用荷載作用 下的絕對(duì)撓度。具體而言，如果試驗(yàn)加滿荷載，則可以直接測(cè)試結(jié)構(gòu)的最大撓 度，如果受條件限制，無(wú)法加滿荷載，則可以依據(jù)部分加載得到的結(jié)構(gòu)剛度推 算結(jié)構(gòu)在滿載時(shí)的最大撓度。以最大撓度和規(guī)范允許最大撓度為對(duì)比指標(biāo)能準(zhǔn) 確界定結(jié)構(gòu)的服役安全性。
本發(fā)明的首次提出在檢測(cè)對(duì)象中如存在具備動(dòng)靜結(jié)合法基本應(yīng)用條件的結(jié) 構(gòu)，可對(duì)其中部分樣本結(jié)構(gòu)的進(jìn)行振動(dòng)、靜載聯(lián)合試驗(yàn)，建立動(dòng)、靜參數(shù)相關(guān) 關(guān)系，依此關(guān)系僅對(duì)剩余結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試推測(cè)結(jié)構(gòu)靜力參數(shù)的健康診斷思路。依 此思路可大幅減少靜力測(cè)試這一高成本工序。結(jié)合工程檢測(cè)的精度要求，形成 適用于本發(fā)明的一套檢測(cè)程序及精密設(shè)備，測(cè)試周期短、工程操作性強(qiáng)。
具體實(shí)施方式
二如圖1和2所示，本實(shí)施方式在步驟三中每級(jí)加載完成 后穩(wěn)定15分鐘再進(jìn)行儀表讀數(shù)，讀數(shù)完成后立即進(jìn)行動(dòng)載測(cè)試；振動(dòng)測(cè)試指 通過(guò)傳感器和采集儀采集結(jié)構(gòu)物靜力加載點(diǎn)附近由環(huán)境脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng) 信息或釆用人工脈沖、激振器掃頻、白噪聲激振方法對(duì)結(jié)構(gòu)激振。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三如圖1和2所示，本實(shí)施方式在步驟三中樣本結(jié)構(gòu)的剛 度信息是依據(jù)儀表讀數(shù)及加載信息按線性回歸的方式獲得；振動(dòng)測(cè)試的模態(tài)信 息根據(jù)采集器記錄的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間域的分析或通過(guò)傅立葉變化獲得。其它步 驟與具體實(shí)施方式
一或二相同。
本發(fā)明方法(動(dòng)靜結(jié)合法)有效性驗(yàn)證——輸油管的損傷識(shí)別
試驗(yàn)說(shuō)明
測(cè)試對(duì)象為一批油田輸送原油的無(wú)縫高強(qiáng)長(zhǎng)鋼管，鋼管幾何特征為30X
3 (外徑30腿，壁厚3 mm)，長(zhǎng)度為9. 8米。參與試驗(yàn)的鋼管一共9根，其中6 根鋼管完好無(wú)損，3根鋼管具有一定的人工損傷。3根有損傷鋼管中， 一根是砸出一處凹陷；另兩根是在鋼管全長(zhǎng)1/3處人工鋸 開小縫隙(深度分別為l腿，5ram)。
將測(cè)試的鋼管設(shè)置在預(yù)先設(shè)計(jì)的支座上，鋼管和支座便構(gòu)造成一個(gè)邊界 鉸接的簡(jiǎn)支梁，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如附圖3所示。這樣所有鋼管構(gòu)造成具有相同材料、 相同截面、相同長(zhǎng)度、相同支撐條件、相同試驗(yàn)條件的"對(duì)稱"結(jié)構(gòu)。
一、動(dòng)靜結(jié)合法的測(cè)試過(guò)程
(一) 測(cè)試前的準(zhǔn)備階段
1、 測(cè)試對(duì)象為9根鋼管，每根鋼管均滿足廣義對(duì)稱條件的梁式結(jié)構(gòu)的條件。
2、 結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將靜荷載加載點(diǎn)設(shè)置在鋼管的跨中(見附圖3)，在加載 點(diǎn)附近設(shè)置一只垂直方向傳感器3 (垂直方向傳感器3通過(guò)連接線4連接至采 集儀)，記錄簡(jiǎn)支梁豎直方向的振動(dòng)信息。
3、 靜載測(cè)試時(shí)，在加載點(diǎn)用標(biāo)準(zhǔn)配重分五級(jí)施加每級(jí)2Kg的載荷，總共 10Kg配重(附圖3中標(biāo)記5所示)，每級(jí)加載完成后等待15分鐘使千分表6 讀數(shù)趨于穩(wěn)定，然后讀千分表表盤。通過(guò)前、后加載級(jí)對(duì)應(yīng)的表盤讀數(shù)差值獲 得結(jié)構(gòu)跨中撓度信息。 一次完整的加載過(guò)程包括5次加載及5次卸載，重復(fù)此 加載程序獲得多組(荷載，撓度)信息。
4、 動(dòng)力測(cè)試(振動(dòng)測(cè)試)時(shí)，激振方式采用初位移釋放法，具體操作是 在簡(jiǎn)支梁跨中施加2kg重物使鋼管產(chǎn)生一定的變形，然后突然移除重物，鋼管 發(fā)生自由衰減振動(dòng)。通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)記錄結(jié)構(gòu)的振幅——時(shí)間振動(dòng)信息(見附 圖5)。
(二) 樣本的測(cè)試階段按照"測(cè)試前的準(zhǔn)備階段"制定的加載和數(shù)據(jù)采集計(jì)劃分別對(duì)樣本1和樣 本2進(jìn)行靜力和動(dòng)力(振動(dòng))的聯(lián)合測(cè)試。獲得兩個(gè)樣本的靜力、動(dòng)力測(cè)試數(shù) 據(jù)。見表l的前兩行。
(三)樣本數(shù)據(jù)整理，動(dòng)、靜關(guān)系的確定
1、 靜力信息整理將"樣本的測(cè)試階段"獲得的每個(gè)樣本的靜載數(shù)據(jù)置入 撓度——荷載直角坐標(biāo)系中，通過(guò)線性擬合獲得結(jié)構(gòu)的撓度——荷載曲線，該 擬合直線的斜率就是該樣本的剛度值。(詳見附圖4)
2、 振動(dòng)信息處理將振動(dòng)測(cè)試記錄到的振幅——時(shí)間信息，通過(guò)自功率轉(zhuǎn) 換轉(zhuǎn)化成自功率譜圖，其中曲線的峰值點(diǎn)即為結(jié)構(gòu)的固有頻率。(見附圖5)
3、 動(dòng)、靜參數(shù)相關(guān)性的確定將靜、動(dòng)參數(shù)(乂A) (/2入)代人動(dòng)靜結(jié)
合法的函數(shù)通式/(" = #"2中，得到^二0.895 "2 =0.523。所以本例中的動(dòng)靜 參數(shù)的關(guān)系式為/,0.895C523
(四)其它結(jié)構(gòu)的振動(dòng)測(cè)試階段
對(duì)剩余的七個(gè)鋼管簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)僅進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，獲得各個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜參 數(shù)n為3、 4、 5、 6、 7、 8、 9)，根據(jù)動(dòng)靜參數(shù)的關(guān)系式乂 =0.895^ 523計(jì) 算出義結(jié)果列于表l中。 (五)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)的評(píng)估
編號(hào)7、 8、 9的鋼管計(jì)算出剛度與樣本的剛度的差值較大，按照"動(dòng)靜結(jié) 合法"的評(píng)判依據(jù)對(duì)7、 8、 9的鋼管重新進(jìn)行靜載試驗(yàn)，結(jié)果列于附表l。依 據(jù)所有的剛度值判斷結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)，結(jié)果列于附表l中。因本例是驗(yàn)證性試 驗(yàn)無(wú)法套用我國(guó)現(xiàn)行工程結(jié)構(gòu)《規(guī)范》條文中結(jié)構(gòu)靜載剛度的相關(guān)規(guī)定判斷結(jié) 構(gòu)安全性。 .二、試驗(yàn)結(jié)果 測(cè)試結(jié)果列于表1中
表1測(cè)試結(jié)果匯總
鋼管編 號(hào)計(jì)算剛度值 (104N/m)頻率值 (Hz)實(shí)測(cè)剛度值 (104N/m)桿件描述
1 (樣本 1)1. 77943. 7201完好
2 (樣本 2)1.78133. 7276完好
33. 72841. 7813完好
43. 73601. 7832完好
53. 72081. 7794完好
63. 72841. 7813完好
73.65351. 76253. 67451mm切口 (未鋸 透鋼管)
83. 36201.68753. 41335醒切口
93. 58961. 74633. 5985跨中"凹弦"損 傷
結(jié)論
1、如表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示，6個(gè)無(wú)損傷鋼管靜參數(shù)(剛度)與動(dòng)參數(shù)(頻 率值)差別很小且動(dòng)、靜參數(shù)具有/ =0.895、° 523的函數(shù)關(guān)系。鋼管7、 8、 9的 計(jì)算剛度與實(shí)測(cè)剛度的對(duì)比效果證明此函數(shù)關(guān)系是準(zhǔn)確的。2、本例試驗(yàn)過(guò)程證明，通過(guò)動(dòng)、靜結(jié)合法的節(jié)省測(cè)試工序——靜力測(cè)試， 可大幅節(jié)約時(shí)間成本及勞務(wù)成本。本例中采用動(dòng)力測(cè)試的時(shí)間從儀器架設(shè)到數(shù)
據(jù)采集完畢平均消耗20分鐘，靜力測(cè)試的時(shí)間則需2個(gè)小時(shí)。以100根鋼管 的損傷檢測(cè)任務(wù)為例，采用傳統(tǒng)的基于靜力檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行損傷識(shí)別則需200 小時(shí)，而運(yùn)用動(dòng)靜結(jié)合法進(jìn)行損傷檢測(cè)至少可節(jié)省90根鋼管的靜力測(cè)試時(shí)間， 共需用時(shí)22小時(shí)，效率提高10倍。
權(quán)利要求
1、一種用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法其特征在于所述方法是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、確定待測(cè)對(duì)象選定至少三個(gè)測(cè)試對(duì)象，且所述至少三個(gè)測(cè)試對(duì)象均滿足廣義對(duì)稱條件的梁式結(jié)構(gòu)；步驟二、制定測(cè)試方案從待測(cè)對(duì)象中選取兩個(gè)結(jié)構(gòu)作為樣本進(jìn)行動(dòng)載、靜載測(cè)試，根據(jù)待測(cè)對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)工程條件及承載變形能力確定靜力加載點(diǎn)和擬定加載量級(jí)；并在樣本結(jié)構(gòu)上布置位移計(jì)，在樣本結(jié)構(gòu)上安裝加速度傳感器及配套的采集儀器和計(jì)算機(jī)；步驟三、依據(jù)既定測(cè)試方案對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行分級(jí)加載測(cè)試；通過(guò)若干個(gè)靜力測(cè)試數(shù)據(jù)擬合分別得到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的剛度值k1、k2；通過(guò)模態(tài)識(shí)別分別得到兩個(gè)樣本結(jié)構(gòu)的固有頻率值f1和f2；從而得到兩組靜、動(dòng)參數(shù)(f1，k1)和(f2，k2)；其中k1和k2為剛度，單位為牛/米； f1和f2為固有頻率，單位為赫茲；步驟四、判斷在步驟三中所得的兩組靜、動(dòng)參數(shù)(f1，k1)和(f2，k2)是否為有效測(cè)量數(shù)據(jù)；如果是啟動(dòng)步驟五，否則；重復(fù)步驟二和步驟三，據(jù)測(cè)試信息修改測(cè)試方案或測(cè)試其它樣本結(jié)構(gòu)，直到得到兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(f1，k1)和(f2，k2)為止；步驟五、建立動(dòng)、靜關(guān)系模型a1和a2為未知系數(shù)，利用在上述步驟獲得的兩組有效的靜、動(dòng)參數(shù)(f1，k1)和(f2，k2)測(cè)量值求出(1)式中的未知系數(shù)a1和a2；步驟六、測(cè)試待測(cè)對(duì)象中其它結(jié)構(gòu)的頻率值f3、f4……fn，通過(guò)(1)式求出其它結(jié)構(gòu)的剛度值k3、k4……kn；步驟七、損傷評(píng)定根據(jù)公試求出待測(cè)對(duì)象的各個(gè)撓度值Δ1、Δ2……Δn；判斷Δn是否滿足Δn≤[Δ]；進(jìn)而得出損傷評(píng)定結(jié)果；其中P為極限使用條件下的荷載。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法；其特 征在于在步驟三中每級(jí)加載完成后穩(wěn)定15分鐘再進(jìn)行儀表讀數(shù)，讀數(shù)完成 后立即進(jìn)行動(dòng)載測(cè)試；振動(dòng)測(cè)試指通過(guò)傳感器和采集儀采集結(jié)構(gòu)物靜力加載點(diǎn) 附近由環(huán)境脈動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息或采用人工脈沖、激振器掃頻、白噪聲激 振方法對(duì)結(jié)構(gòu)激振。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法；其特征在于在步驟三中樣本結(jié)構(gòu)的剛度信息是依據(jù)儀表讀數(shù)及加載信息按線 性回歸的方式獲得；振動(dòng)測(cè)試的模態(tài)信息根據(jù)采集器記錄的振動(dòng)信號(hào)在時(shí)間域 的分析或通過(guò)傅立葉變化獲得。
全文摘要
用于工程結(jié)構(gòu)健康診斷的動(dòng)靜結(jié)合方法，它涉及一種工程結(jié)構(gòu)健康診斷的方法。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法存在靜載測(cè)試時(shí)器架設(shè)困難、測(cè)試不易現(xiàn)實(shí)、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。本發(fā)明方法的主要步驟為確定待測(cè)對(duì)象；制定測(cè)試方案；依據(jù)既定測(cè)試方案對(duì)兩個(gè)樣本進(jìn)行分級(jí)加載測(cè)試；判斷所得的兩組靜、動(dòng)參數(shù)(f1，k1)和(f2，k2)是否為有效測(cè)量數(shù)據(jù)；建立動(dòng)、靜關(guān)系模型；測(cè)試待測(cè)對(duì)象中其它結(jié)構(gòu)的頻率值f3、f4……fn，通過(guò)f(k)＝a1Ka2求出其它結(jié)構(gòu)的剛度值k3、k4……kn；損傷評(píng)定。本發(fā)明方法具有操作性強(qiáng)、測(cè)試周期短、節(jié)省時(shí)間、降低成本、安全可靠、快速、造價(jià)低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101532919SQ20091007185
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者李國(guó)東, 迅 郭 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所