文摘gydF4y2Ba

木材的三维有限元模型structure-foundation北方的房子的大厅天水地下交通励磁成立,和一楼的破坏木材的纵向梁结构的有限元模拟方法。梁的节点加速度响应信号被用小波包分解。提出了小波包能量曲率差异指数来确定结构损伤的位置。结果表明,小波包能量曲率差异可以决定的损伤位置的中间部分一楼纵向梁,和索引值增加随着损伤程度的增加。如果40 db或更大的信噪比,损伤指数可以准确地识别古代木建筑的破坏。当信噪比的增加,损伤指数越来越高灵敏度和某些抗噪声的影响能力。之间的函数关系得到损伤指数和损伤程度来确定结构损伤程度。研究结果提供了一个理论依据古代建筑的木材结构的损伤诊断沿交通线。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

天水是一个历史名城,拥有大量的古代建筑。其中,天水古民居被声明为一个濒危遗产的世界文化遗产基金会于2005年6月(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba]。胡锦涛的古老的房子是天水的代表明代的房子,这是由北方和南方的房子。北的房子大,其木雕是独一无二的。北的房子的大厅建筑是北方的核心部分房屋建筑独特的设计,华丽的气氛,这充分体现了精湛的建筑艺术和明朝的深厚的文化内涵。飞机的主要大厅建筑是矩形,朝南。五个房间宽20.05米,三个房间是14.41米深,山脊的高度是11.4米。面北的房子的大厅在院子里是一个double-eaved二层馆硬山顶砖和木头的结构。图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba是正视的大厅中间的院子里北的房子。gydF4y2Ba


图1gydF4y2Ba
正视北的房子的大厅。gydF4y2Ba

大厅中间的庭院北方的房子坐落在太康路以南钦州地区中央街甘肃天水城市,只有20米远的地方,城市的主要道路交通。大厅的木质结构建筑严重受损在汶川地震5月12日,2008年。随着城市化的发展,在天水,地面交通车辆的数量迅速增加,和地面交通的连续振动使结构疲劳损伤和榫臼松动,威胁其安全。因此迫切需要采取有效的技术手段来修复和控制结构性破坏。gydF4y2Ba

小波分析的功能放大,收缩和转变。它可以研究信号的特点,通过检查的变化在不同的放大。具有优良的时频局部化特性,但缺点是分辨率太低,在高频段(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。小波包分析是小波变换的扩展,它可以提供一个更精致的信号分析方法。小波分析没有细分的高频部分进一步分解,和相应的频带选择根据信号的特征分析与信号频谱相匹配。因此,小波包分析的损伤诊断领域广泛应用于土木工程。gydF4y2Ba

自1980年代以来,许多学者从事领域的小波包,取得了丰硕的成果。丁等。gydF4y2Ba3gydF4y2Ba]采用小波包能量谱的结构损伤预警的方法。Karami et al。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)提出了一个方法来识别多个损坏的位置在成堆的海豚码头,基于小波包能量的结合曲率差异理查森(WPECD)和外推。安吉洛et al。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)的纪录片和功能特性描述这种奇特的抗震的timber-based建筑技术。经过比较分析技术的特点,三个t f建筑的情况下,属于三个不同的社会阶层。锅等。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]分析了加速度响应信号,识别出结构损伤实时小波包能量谱。陆et al。gydF4y2Ba7gydF4y2Ba提取时间域特性和参数的小波分解特性,和模式存储在每个事件被确定使用人工神经网络和支持向量机。朱et al。gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)模拟梁的损伤在两个工作条件,确定了损伤与小波包能量曲率不同,和调查的影响小波函数和分解层数的识别效果。Kankanamge et al。gydF4y2Ba9gydF4y2Ba)描述的最新应用小波变换在土木工程结构的健康监测。风扇(gydF4y2Ba10gydF4y2Ba]木框架建立了一个有限元模型,采用了损伤识别方法结合小波包分析方法和随机共振理论来评估结构的损伤位置和程度。梅等。gydF4y2Ba11gydF4y2Ba)提出了一个PQD检测方法基于小波包变换(WPT)和改进的完整的集成经验模态分解与自适应噪声(ICEEMDAN)。刘等人。gydF4y2Ba12gydF4y2Ba)提出了简支梁桥的损伤识别方法基于小波分析和变异系数。gydF4y2Ba

一楼的纵向梁的破坏朝鲜的房子在天水的大厅是由有限元方法模拟地下交通励磁。梁上的每个节点的加速度响应信号进行小波包分解,并研究了损伤位置通过小波包能量曲率差异。损伤识别指数敏感,可以准确地确定木材结构损伤的具体位置。gydF4y2Ba

2。小波包分析gydF4y2Ba

小波包是由小波函数,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2BajgydF4y2Ba和gydF4y2BakgydF4y2Ba指其频率、规模和移位参数:gydF4y2Ba

小波函数的递归关系gydF4y2BaψgydF4y2Ba我gydF4y2Ba是gydF4y2Ba 其中ψ是小波母函数;gydF4y2BahgydF4y2Ba(gydF4y2BakgydF4y2Ba),gydF4y2BaggydF4y2Ba(gydF4y2BakgydF4y2Ba)积分镜滤波器系数,与尺度函数和小波母函数。gydF4y2Ba

jgydF4y2Ba,gydF4y2BajgydF4y2Ba+gydF4y2Ba1阶递推公式gydF4y2Ba

在公式(gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)和(gydF4y2Ba5gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

HgydF4y2Ba和gydF4y2BaGgydF4y2Ba过滤操作符扩展因数吗gydF4y2BahgydF4y2Ba(gydF4y2BakgydF4y2Ba),gydF4y2Ba (gydF4y2BakgydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

最初的信号gydF4y2BafgydF4y2Ba(gydF4y2BatgydF4y2Ba)是gydF4y2Ba

3所示。损伤诊断古老的木质结构gydF4y2Ba

古老的木头结构的损伤诊断分为两个部分:(1)每个节点的加速度响应信号光束是由小波包分解;(2)小波包的能量不同曲率计算定位和识别结构损伤,包括选择小波函数和小波包分解的水平。gydF4y2Ba

3.1。小波函数的选择(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

消失的时刻和支持长度,Daubechies小波(也称为dbN,gydF4y2BaNgydF4y2Ba是Daubechies小波顺序)被选中。一个更大的gydF4y2BaNgydF4y2Ba意味着更高的消失矩和更好的时域分辨率。但是时间域的地方将会变得更糟的增加支持Daubechies小波的长度。因此,重要的是要确定一个适当的顺序gydF4y2BaNgydF4y2BaDaubechies小波。gydF4y2Ba

结构动态响应gydF4y2BafgydF4y2Ba(gydF4y2BaNgydF4y2Ba,gydF4y2BaKgydF4y2Ba)是在小波包分解的分解gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2BaijgydF4y2Ba表示节点的结构响应(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba,gydF4y2BajgydF4y2Ba)和能量gydF4y2BaEgydF4y2BaijgydF4y2Ba在每个频带结构的响应是gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

小波包能量谱gydF4y2BaEgydF4y2Ba我gydF4y2Ba的结构动力响应gydF4y2BafgydF4y2Ba(gydF4y2BaNgydF4y2Ba,gydF4y2BaKgydF4y2Ba)gydF4y2Ba我gydF4y2Bath分解水平可以表示如下:gydF4y2Ba

每个频带能量的成本函数系数{gydF4y2BaEgydF4y2BaijgydF4y2Ba}第i个分解层次上定义的好的和坏的小波函数。标准熵gydF4y2Ba 作为成本函数。在同一级别的小波包分解,不同的小波函数的成本函数值计算和比较来决定适当的Daubechies秩序n .通常较小的更好关于成本函数值计算出不同的订单;标准熵gydF4y2Ba (1≤gydF4y2BapgydF4y2Ba≤2)是定义如下gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

3.2。选择小波包分解水平(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

成本函数和操作时间都考虑决定适当的小波包分解级别。一般来说,一个更小的成本函数意味着更少的操作时间和更好的小波包分解水平。类似于小波函数的选择顺序,标准熵gydF4y2Ba 作为成本函数决定适当的小波包分解水平,标准熵gydF4y2Ba (1≤gydF4y2BapgydF4y2Ba≤2)是定义如下gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]:gydF4y2Ba

3.3。曲率计算方法(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

在实际工程中,得到曲率的二阶差分变量,即斜率的变化速度,如图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba


图2gydF4y2Ba
图的曲率。gydF4y2Ba

它的公式是gydF4y2Ba

分子之间的区别是左派和右派的斜率节点,分母是左派和右派的斜率之间的距离节点。如果gydF4y2BahgydF4y2Ba我gydF4y2Ba−1gydF4y2Ba=gydF4y2BahgydF4y2Ba我gydF4y2Ba+ 1gydF4y2Ba曲率公式表达如下:gydF4y2Ba

YgydF4y2Ba取而代之的是小波包能量谱,能源曲率小波包的区别是gydF4y2Ba

,gydF4y2Ba 是完整的小波包能量曲率和受损的结构。gydF4y2Ba

4所示。有限元模型的建立北的房子的大厅gydF4y2Ba

有限元模拟过程中,首先建立了梁柱节点,其次对应的节点构建梁柱单元相连。木梁和柱模拟Beam188 3 d弹性成分,可以承受压力,压缩和扭力,每个节点有三个平移自由度gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2Bay,gydF4y2Ba和gydF4y2BazgydF4y2Ba和三个方向扭转自由度gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2Bay,gydF4y2Ba和gydF4y2BazgydF4y2Ba轴。14 Combin元素是用来模拟梁柱的榫接。-和榫榫眼的接合有三个平移自由度(用户体验、UY和乌斯)和三个扭转自由度(ROTX, ROTY, ROTZ)。有限元节点重叠在梁柱的位置建立阴阳榫关节。弹簧元件连接列结束节点①和梁结束节点②③④⑤,分别。所以春天六元素应用于柱和梁连接的位置来模拟榫接图所示gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。弹簧刚度系数gydF4y2BaKgydF4y2BaxgydF4y2Ba= 1.26×10gydF4y2Ba9gydF4y2BakN / m,gydF4y2BaKgydF4y2BaYgydF4y2Ba=gydF4y2BaKgydF4y2BazgydF4y2Ba= 1.41×10gydF4y2Ba9gydF4y2BakN / m,gydF4y2BaKgydF4y2BaθxgydF4y2Ba=gydF4y2BaKgydF4y2BaθygydF4y2Ba=gydF4y2BaKgydF4y2BaθzgydF4y2Ba= 1.5×10gydF4y2Ba10gydF4y2BakN / m / rad [gydF4y2Ba15gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba


图3gydF4y2Ba
模拟梁柱榫接的。gydF4y2Ba

北屋的木材结构的主要大厅是由研究小组测量。因为它已经建立了很长一段时间,没有相关测量材料目前房地产指数显示。与参考文献[材料参数的gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),木材和土的材料参数如表所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表1gydF4y2Ba
木头和土壤参数。gydF4y2Ba

大型屋顶与Mass21模拟,三个平移自由度gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2Bay,gydF4y2Ba和gydF4y2BazgydF4y2Ba和三个方向扭转自由度gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2Bay,gydF4y2Ba和gydF4y2BazgydF4y2Ba轴,每个方向都有不同的质量和转动惯量。使用面积等效方法,屋顶载荷集中在相应的列,并获得gydF4y2BaGgydF4y2Ba= 1.925 kN / mgydF4y2Ba2gydF4y2Ba(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

根据大小的北方的大厅的木材结构的房子,长度,宽度,和地基土的深度是67.02,分别为39.25和8 m [gydF4y2Ba19gydF4y2Ba]。坚实的地基土进行了模拟,45岁,有三个平移自由度gydF4y2BaxgydF4y2Ba,gydF4y2BaygydF4y2Ba和gydF4y2BazgydF4y2Ba方向和塑性、蠕变、膨胀、压力增强,大变形和大应变能力,和地基土单元的长度是2米。列的对应节点脚跟和地基土耦合,和系统阻尼比gydF4y2Ba (gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

在基础和地基土的方法固定约束,和地面是免费的。木材的有限元模型大厅和地基土的结构如图gydF4y2Ba4gydF4y2Ba∼gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba


图4gydF4y2Ba
北大厅木材结构的有限元模型。gydF4y2Ba

图5gydF4y2Ba
大厅木材结构的有限元模型的北房屋基金会。gydF4y2Ba

5。木材结构的损伤诊断北的房子的大厅gydF4y2Ba

北的房子前面的大路是四车道,代表选择公交车来模拟交通车辆的影响在大厅的木材结构。城市的车辆速度很低,所以40公里/小时的速度选择木材结构的损伤识别的主要大厅。车辆车道的垂直负载应用到节点单元,和车辆荷载:gydF4y2Ba ,gydF4y2Ba随时间的变化曲线和频谱图如图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba),车辆装载方法如图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
图6gydF4y2Ba
车辆荷载时程曲线(a)和光谱图(b)。gydF4y2Ba

图7gydF4y2Ba
车辆装载模式。gydF4y2Ba

纵向梁的跨中在一楼上选择木材结构的损伤诊断。损伤的位置和相应的节点设置如图gydF4y2Ba8gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
图8gydF4y2Ba
损伤位置的木梁(a) (b)和相应的节点。gydF4y2Ba

伤害可以改变结构的物理性质(质量、刚度和阻尼),它会导致改变的模态特征结构(振动频率,阻尼模式形状和模式)。结构的损伤程度是由梁的弹性模量的减少了10%和20% (gydF4y2Ba14gydF4y2Ba),损伤案例1 (ss10%)和损伤情况2 (ss20%)如表所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表2gydF4y2Ba
损坏情况下的木头结构。gydF4y2Ba
5.1。小波函数的选择(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

的垂直加速度中跨134年跨跨中节点梁在一楼大厅的完整结构的分解和小波包Daubechies分解是选为6层,标准熵表所示gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。当gydF4y2BaNgydF4y2Ba是9,标准熵最小,所以Daubechies 9被选中。gydF4y2Ba

表3gydF4y2Ba
不同的成本函数值小波订单。gydF4y2Ba
5.2。分解层次的选择(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

的垂直加速度中跨134年跨跨中节点梁在一楼的大厅的完整结构与小波分解Daubechies 9日和分解层1 - 8。标准熵和时间消耗如表所示gydF4y2Ba4gydF4y2Ba。根据时间消耗,分解级别设置为6。gydF4y2Ba

表4gydF4y2Ba
代价函数值和计算时间不同分解层次。gydF4y2Ba
5.3。曲率分析的小波包能量不同gydF4y2Ba

垂直加速度梁节点的大厅的132年到136年之前和之后的伤害与小波分解Daubechies 9日和分解水平是6。前面的八个小波包的能量不同曲率和相应的节点,如图gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
(d)gydF4y2Ba
(d)gydF4y2Ba
(e)gydF4y2Ba
(e)gydF4y2Ba
(f)gydF4y2Ba
(f)gydF4y2Ba
(g)gydF4y2Ba
(g)gydF4y2Ba
(h)gydF4y2Ba
(h)gydF4y2Ba
图9gydF4y2Ba
小波包能量曲率不同损伤病例1和2。gydF4y2Ba

也可以看到数据gydF4y2Ba9gydF4y2Ba(一)∼gydF4y2Ba9gydF4y2Ba(h)的能源曲率差小波包节点134出现一个明显的凸出,是一样的损伤位置的单位162年和163年在前面假设的案例1和2的损害。因此,结论是,小波包的能量曲率可以定位结构的损伤。gydF4y2Ba

5.4。前面八个组件的分析和小波包能量的曲率不同gydF4y2Ba

前面八个组成部分的总和小波包能量不同曲率是如图gydF4y2Ba10gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
图10gydF4y2Ba
小波包能量之和曲率不同损伤情况下1和2。(一)损害1例。例2 (b)损害。gydF4y2Ba

从数据gydF4y2Ba10 ()gydF4y2Ba和gydF4y2Ba10 (b)gydF4y2Ba前面八个组成部分的总和小波包能量曲率差异具有明显的突出在134节点,这是一样的损伤位置前面假设的162年和163年,距离中跨进一步,损伤指数较小。相比,小波包能量曲率不同,前面的和八个组件可以更好地诊断木材结构的损伤位置、损伤程度增加和索引值增加。gydF4y2Ba

5.5。噪声对损伤诊断的影响(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]gydF4y2Ba

在结构健康监测的过程中,传感器采集的信号不可避免地受到噪声干扰,通常假定为高斯白噪声。原始信号覆盖的值是正态分布,平均值为零的测量噪声。信号噪声的水平测量的信号噪声比(信噪比),定义如下:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba 是信号的均方根吗gydF4y2BaxgydF4y2Ba(gydF4y2BangydF4y2Ba),gydF4y2Ba 是信号的均方根吗gydF4y2BaygydF4y2Ba(gydF4y2BangydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

这是损害案例1的分析。分析了白噪声影响损伤定位,高斯白噪声的信噪比10 db, 20 db, 30 db, 40 db, 50 db分别添加到每个节点的垂直加速度响应信号的完整结构和受损结构梁。小波包分解与Daubechies 9和分解6级。前面八个组成部分的总和小波包能量曲率差异在不同噪声水平下如图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

(一)gydF4y2Ba
(一)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(b)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
(c)gydF4y2Ba
(d)gydF4y2Ba
(d)gydF4y2Ba
(e)gydF4y2Ba
(e)gydF4y2Ba
图11gydF4y2Ba
和小波包能量的曲率不同噪声下10 db-50 db。(一)10 db。(b) 20分贝。(c) 30 db。(d) 40 db。(e) 50分贝。gydF4y2Ba

从图可以看出gydF4y2Ba11gydF4y2Ba伤害指数有很大的变化,当信噪比为20 db或更少,表明损伤指数大大受到噪声和不再是能够识别损伤位置。当信噪比为30 db,损伤指数不受噪声和可以识别损伤的影响。当信噪比40 db或更大,损伤指数几乎没有受到噪声和有损伤的诊断能力类似于一个无噪声的条件下。随着信噪比的增加,损伤指数将会日益提高对结构损伤的敏感性和一定的抗噪声能力。如果信噪比很小,损伤指数将大大受到噪声的影响,所以应该去噪噪声信号尽可能恢复到原始。gydF4y2Ba

5.6。损伤程度分析gydF4y2Ba

假设一楼的中跨纵梁受损10%∼60%,前八个组成部分的总和的小波包能量曲率差134节点被定义为损伤指数如表所示gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

表5gydF4y2Ba
损伤指数。gydF4y2Ba

损伤指数和损伤程度之间的关系在134年节点通过使用Matlab的数值拟合程序如图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba。gydF4y2Ba


图12gydF4y2Ba
损伤指数和程度的关系。gydF4y2Ba

基于图gydF4y2Ba12gydF4y2Ba损伤指数和损伤程度之间的关系,获得如下。gydF4y2BaYgydF4y2Ba= 0.000495gydF4y2BaXgydF4y2Ba2gydF4y2Ba+ 0.04625gydF4y2BaXgydF4y2Ba−0.0016。如果gydF4y2BaygydF4y2Ba获得,gydF4y2BaxgydF4y2Ba可以从图找到了吗gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

6。结论gydF4y2Ba

曲率差异提出了小波包的能量损伤位置分析纵向梁在一楼大厅的木材结构的北屋地下交通,得出如下结论:gydF4y2Ba(1)gydF4y2Ba与曲率不同的小波包能量,本地化的效果之和前面八个组件更加明显。伤害程度提高时,索引值增加。gydF4y2Ba(2)gydF4y2Ba如果40 db或更大的信噪比,损伤指数可以准确地识别古木材结构的损伤。当信噪比的增加,损伤指数越来越高灵敏度和某些抗噪声的影响能力。gydF4y2Ba(3)gydF4y2Ba损伤指数的关系和程度是由使用Matlab程序来判断损伤程度的北方的大厅的木材结构的房子,它将提供理论依据古老的木头结构的损伤诊断下交通励磁。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

所有数据分析了在本研究中包括这篇文章。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号52068063),甘肃省自然科学基金研究项目(批准号21 jr1re286),甘肃省高等教育创新基金项目(批准号2020 b - 173),伏羲科研创新团队项目(批准号FXD2020-13),麦积山石窟艺术天水师范大学研究项目(批准号MJS2021-06),山东省自然科学基金研究项目(批准号ZR2020ME240),陕西和自然科学基础研究项目(批准号2022年jm - 223)。gydF4y2Ba