文摘

目前研究的目标是开发一种有效和适用的结构损伤检测方法。损伤识别方法只使用测量固有频率的变化。结构损伤模型被认为是与减少对单元刚度矩阵的贡献相当于一个标量材料模量的减少。计算技术用于识别测量数据的损坏。提出技术的性能数值模拟真实混凝土梁桥评估使用实施破坏场景。演示了该方法的适用性,采用实验测量固有频率这一技术首次应用到简支钢筋混凝土梁静态增量加载失败。损伤识别过程的结果表明,该方法能够准确地定位损伤和损伤的程度预测使用高频(这里除了第四顺序)振动响应。

1。介绍

损坏或故障检测,由结构的动态属性或响应的变化,是一个主题,在文献中已经受到了相当大的关注。自结构刚度的变化,无论是本地或分配,会导致模态参数的变化(尤其是自然频率,模式形状等),位置和结构损伤的严重程度可以由模态的变化特征1- - - - - -5]。此外,由于固有频率是相当容易衡量相对较高的精度,基于自然频率的测量方法可能有吸引力(6- - - - - -10]。应用到大型土木工程结构的频率有点低灵敏度变化破坏需要非常精确的测量频率变化或大型水平的损害。这种限制的一个例外发生在更高的模态频率,与当地的反应相关联的模式。然而,近几十年来,所涉及的实际限制励磁和识别的共振频率与这些当地的相关模式,造成部分模态密度高和低的参与因素,使他们难以识别(11]。阿克坦Raghavendrachar和(12)执行影响测试钢筋混凝土箱梁桥的目标检测本地或模糊的损害,而不是严重,全球的伤害。作者得出的结论是,模态参数可能不可靠的损伤指标如果最初几个测量模式。对于这种类型的损坏,需要更高模式的模态信息。法勒和锥13]介绍了损伤诊断实验的结果表现在i - 40公路上啊桥在格兰德河。他们从环境识别模态特性测试,未损坏的桥时,从强制励磁试验的损伤情况。结果表明,模态频率、模态阻尼比,和模式的形状可能不够敏感指标检测实际损害处于早期阶段。破坏性的测试执行在i - 40公路上啊桥强调这一事实损害通常是一个地方的现象。当地的反应是被高频率模式而低频率模式倾向于捕捉全球反应的结构和对当地的变化不太敏感结构(11]。因此,低频振动响应对小损伤,此外,小损伤更容易通过高频振动响应。目前,新的先进仪表典型的扫描激光振动计(SLV)保持高水平的准确性在高频振动测量提供小损伤水平的检测14]。

理想情况下,一个健壮的损伤识别方法应该能够识别损伤发生在非常早期的阶段,损伤定位传感器分辨率使用,提供一些估计的损失的严重程度,并预测结构的剩余使用寿命。几种频率变更敏感性分析方法提出了(6- - - - - -8)可用于检测和定位损伤结构;然而在一般情况下不能正确量化损伤。为了避免不足的一阶灵敏度分析忽略二阶项,Bicanic和陈9)提出了一种新颖的perturbation-based方法使用的变化之间的确切关系结构参数和模态参数的变化。

这里,基于非线性摄动理论,提出了一种有效的迭代计算过程以识别损伤框架结构的高阶(除了第四顺序)测量固有频率是可用的。提出技术的效率评估通过一个真实的例子与模拟混凝土梁桥损伤和通过实验室测试的简支钢筋混凝土梁受到不同程度的静态负载。

2。直接迭代技术

直接迭代法的计算方法解决了元素标量损伤参数以及参与方式的因素(9]。过程由计算损伤参数,例如,裂纹位置、频率的变化。

在下一节中描述的迭代解过程。根据可用的数量自然频率NF(方程)和结构损伤参数的数量NXE(未知),eigenmode-stiffness灵敏度矩阵可能不是广场。当的数量测量受损结构固有频率NF的数量远远少于结构损伤参数NXE(有限元)(),方程组欠定的显著和伪逆解会变得坏脾气的。为了找到一个解决方案一般是一个坏脾气的系统,奇异值分解(圣)技术(15]。

FORTRAN语言计算机程序开发了基于结构损伤识别的计算过程的知识提出了未来(16]。

2.1。计算过程

步骤1。假设初始模式参与因素为零,即没有特征向量的变化。建立初始值和从 在哪里和eigenmode-stiffness灵敏度矩阵和向量,分别被定义为哪一个 在哪里,,可以定义在一般形式 和,,eigenmode-stiffness灵敏度系数,可以定义在一般形式 在哪里是th原始特征向量,的贡献吗全球th元素刚度矩阵,的变化吗特征值,是th原始特征值,和一个上标指的是损坏的结构。

步骤2。评估目前的估计从 在哪里

步骤3。评估新的模态参与因子从 在哪里 并返回到步骤2如果解决方案不聚合。
一旦模式参与因素发现,受损结构的特征向量可以计算吗 配对的原始结构和受损结构的特征值可以使用MAC检查因素(模态保证标准)17),定义为 最高的最可能的因素表明配对的原始模式和破坏模式。

3所示。数值例子

模型的混凝土梁桥包括39个元素,40个节点,和116个自由度(自由度),如图1,用于调查的影响可用原始特征向量的数量和受损结构的固有频率的计算。

有趣的是,由于这里讨论的结构几乎是对称的,可能出现收敛困难。从(5),它可以表明,如果一个结构是对称的,一组控制方程(1)成为奇异,识别过程无法进行。如果“几乎”对称结构,控制方程(1)是坏脾气的,在这种情况下的信息大量受损结构的固有频率(大于NXE)必须正确地确定结构损伤的位置和数量。由于坏心肠的控制方程(1),破坏参数收敛非常缓慢,导致在某些情况下收敛困难。为了避免这种困难的情况下,可以使用一些方法来呈现非对称结构,如非对称元素生成网格,选择合适的边界条件,应用和附加集中质量。因此,该方法也适用于对称或接近对称结构和少数受损结构固有频率的要求确定结构损伤(9]。

为了避免问题结构对称、非对称元素生成网格,如图1。因为简支桥梁上部结构,垂直和水平位移梁之间的接触点和列约束是相同的梁和柱,而旋转都是免费的。每个组件的横截面属性表中列出1。所有结构成员有相同的材料特性kN / m²和吨/米³。的几何结构、元素编号和假想的破坏场景如图1。

两个假设场景诱导的损害减少杨氏模量不同的元素,与不同的震级,总结在图1。场景1模拟元素6中5%的伤害。场景2有三个受损的元素。元素6 5%的伤害,20 10%的伤害,和元素28 15%的伤害。

在大多数情况下,损伤对结构刚度的影响可以通过本地减少杨氏模量来表示。在这项研究中,一个标量损伤模型被认为是基于上述考虑;即改变结构刚度矩阵可以表示为求和的变化成正比的元素矩阵形式。这个配方,可以相互关系当地刚度特征值的降低而减少,保持全球连通性和对称刚度矩阵,提出了在以前的研究(6- - - - - -10]。结果是一组联立方程(1)相关的变化刚度特征值的元素。

35第一固有频率对桥的损伤和损坏结构的每个场景确定损伤的有限元动态分析表中列出2。此表显示了未损坏的固有频率的差异和受损的结构,也就是说,损坏的固有频率的影响首先35模式。在模式1(场景2),最低变化赫兹(表代表减少0.3%2)。所有的35模式显示减少的自然频率。这些差异可以估计的精度赫兹在真实模态测试,因为它提出了(18,19]。此外,由于在模态测试中执行(18,19温度几乎是静止的,观察到的自然频率的变化不能与温度变化有关。然而,由于实际测试的局限性,只有前三个弯曲模式的固有频率可以可靠地跟踪测试条件下(18]。

从测试的角度来看它是更难激发更高的频率响应的结构需要更多的能源产生可衡量的反应在这些频率高于低频率(11]。这些因素导致有限的应用vibration-based大型土木工程结构损伤检测技术。

原始特征向量的组合和修改后的特征向量是保证使用MAC中定义的值(11),导致斜值接近单位(高于0.997)。这意味着受损结构的模式从直接迭代技术获得匹配很好对应的原始结构模式。

为了研究的有效性提出了直接迭代技术对所需的模态信息,各种数字的原始特征向量和受损的结构固有频率对损伤的识别过程场景选择1 - 2,如图2和3。

从结果可以看出,只有有限的知识的原始特征向量是必需的,甚至60原始特征向量(一半数量的原始特征向量)足以正确预测结构破坏,这使得该方法适用于大规模的结构。与较小的损害(情况1)损伤的位置和数量可以使用只有13正确估计受损结构的固有频率。情况更严重的损伤(场景2)结构性破坏可以大致预测使用20受损结构的固有频率。正如所料,结构损伤的预测提高损伤结构的数量增加使用频率,达到精确解非常接近的值时使用35损伤结构的频率。

4所示。梁模型试验研究

4.1。实验装置

展示了损伤识别方法的有效性,简支钢筋混凝土梁作为测试结构。梁是由30厘米长3米,宽20厘米深。草图结构测试的实验室和实验设置如图4。

钢筋混凝土梁的固有频率进行了测量之前和之后的伤害。损坏是由静态加载三个层次逐步引入。

正弦强迫振动进行了测试在简支钢筋混凝土梁得到频率。振动发生器用于振动测试由电磁致动器垂直安装在一个框架与钢板连接到传动装置的杆的自由端。结构的响应点测量使用压电加速度计(Bruel&Kjær-DeltaTron类型4508)。致动器和加速度计是位于点前八的最大挠度弯曲模式。激励和响应,经过信号调节器,被抓获的a / D转换器(ADC-200/50)。在A / D转换器,这些模拟信号数字化然后进一步处理基于PC的示波器和频谱分析仪(PicoScope软件)。所有数据记录和分析使用PicoLog数据采集软件。

4.2。实验结果

实验得到了频率测量之前和之后的每一个层次的静态集中负荷(10、20和30 kN)应用于中间的简支钢筋混凝土梁的跨度。

图5显示了一个典型的时域响应和相关的频谱钢筋混凝土梁。

实验第一八弯曲固有频率模式的实验室模型受到三个级别的静载荷图6。

估计固有频率被用于直接迭代法来确定位置和损伤的程度。

正如所料,在实验室梁裂缝的发展会导致降低刚度,从而降低结构的自然频率。

4.3。损伤识别

基于损伤的测量共振频率和受损的结构,直接迭代技术用于结构损伤识别。

这里使用的计算机程序开发动态分析和损伤识别的二维(2 d)解决方案的框架结构的梁柱单元使用。这些元素都有六个自由度,在每个节点包含两个翻译和一个旋转,尽管本例中的轴向位移被忽略。

为了避免问题结构对称、9和10个非对称有限元节点和共有18自由度(图生成7)。所有元素具有相同的材料特性与实验估计弹性模量kN / m²和密度吨/米³和相同的横截面积米²和截面惯性矩米⁴。的几何结构和元素编号如图7。

结果在图8- - - - - -10从逆损伤预测获得的直接迭代技术。所有的特征向量的结构被认为是在结构损伤识别。

是发现的情况轻微损伤(由于静力10 kN)结构损伤的位置和数量可以正确地估计只使用5实验为受损的结构固有频率(图8(一个))。情况下更严重的损伤(由于20和30 kN)静力结构损伤大致可以预测仅使用5实验固有频率(数字9(一个)和10 ())。然而,如果使用8实验固有频率,位置和数量在这两种情况下可以确定正确。

5。结论

本文使用变化的损伤识别方法测量固有频率已经应用实验。损伤识别过程的结果类似于从一个数值例子表明,该方法能够成功地识别结构损伤的位置和程度,包括小型和多发性损伤。几个不同的优势突出。首先,高阶(除了第四顺序)受损的结构固有频率不超过NXE需要识别结构损伤。结构损伤的预测提高增加受损结构的固有频率。结构破坏越少,越少固有频率是必需的。其次,没有知识的模式形状受损结构是必需的,因为他们可以得到该方法的结果。第三,该方法适用于对称的结构,如果一个非对称元素生成网格。最后,研究结果表明,使用高频振动响应的结构完整性评估真实的桥梁等工程结构领域,值得进一步研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。