[发明专利]一种剪切型框架结构损伤识别方法

摘要

本发明提出了一种剪切型框架结构损伤识别方法。首先，测试结构的动态响应，获取结构在完好状态和损伤状态的一阶振型斜率，计算出损伤造成的初始一阶振型斜率改变。然后，建立结构的数值模型，分析结构的各阶模态参数，利用模态参数计算一阶振型斜率对损伤的敏感系数。最后，结合敏感性分析结果，对结构初始一阶振型斜率改变进行修正，由修正后的一阶振型斜率改变识别损伤位置和损伤程度。即修正后一阶振型斜率改变大于零的层为损伤层，修正后一阶振型斜率改变的大小反映了该层的损伤程度。该方法通过一个三层的剪切型框架模型实验得到了验证。通过本发明，能够仅仅利用结构一阶振型斜率来识别损伤，具有较强的实用性。

主权项

1.一种剪切型框架结构损伤识别方法，其步骤包括：(1)在结构每层安装加速度传感器，在外激励作用下，分别测试结构在完好状态和损伤状态的时程响应，然后提取结构的一阶振型，并将振型对质量矩阵标准化，即φ1TMφ1=1 φ1表示结构的一阶振型，φ1 T表示结构一阶振型的转置，M为结构的质量矩阵。下面步骤中所提到的振型均为对质量矩阵标准化振型；(2)计算结构各层一阶振型斜率的改变Δφ1j′，Δφ1j′=Δφ1j-Δφ1(j-1)hj,j=1,2,...,N φ1j′表示第1阶振型的第j层振型斜率，Δφ1j′为损伤前、后第j层在第1阶振型的振型斜率的变化量，φ1j为第1阶振型的第j层振型位移，Δφ1j为损伤前、后第j层在第1阶振型的振型位移的变化量，hj为第j层的层高，N为结构总层数；(3)建立未损伤结构的数值模型，进行的模态分析，获取结构未损伤状态下的各阶圆频率和振型；(4)利用下式计算一阶振型斜率对层间刚度的敏感性系数S1j,tS=∂φ1j′∂Kt=1hj(∂φ1j∂kt-∂φ1(j-1)∂kt),j=1,2,...,N;t=1,2,...,N 式中：S1j，t S表示第1阶振型的第j层振型斜率对第t层刚度的敏感性，kt表示第t层的层间刚度，t表示结构的层序号，φ1j/kt表示第1阶振型的第j层振型位移对第t层刚度的敏感性，其值由下式计算∂φ1∂kt=Σi=2Nβiφi, 其中 βi=(φit-φi(t-1))(φ1t-φ1(t-1))ω12-ωi2 φ1/kt是第1阶振型对第t层刚度的敏感性，φ1j/kt为φ1/kt的第j个分量，ω1和ωi分别为结构第1阶和第i阶圆频率；当t＝1时∂φ1∂k1=Σi=2Nβiφi, 其中 βi=φi1φ11ω12-ωi2 当j＝1时S11,tS=1h1∂φ11∂kt (5)首先找出一阶振型斜率改变Δφ1j′为正的层，设总共有m1层一阶振型斜率变化为正，用d表示这些一阶振型斜率变化为正的层号，记这些层的一阶振型斜率变化为C1d，d S，M0，表示由测试数据得到的初始一阶振型斜率改变值；然后，由下列公式分别计算各一阶振型斜率变化为正的层引起的其他层的一阶振型斜率变化量C1j,dS,C1=S1j,dSS1d,dS×C1d,dS,M0,j=1,2,...,N,j≠d; 式中C1j，d S，C1表示由于第d层损伤引起的第j层一阶振型斜率改变第1次修正值，将所有一阶振型斜率变化为正的层引起的第j层一阶振型斜率修正值C1j，d S，C1反号叠加到第j层的原一阶振型斜率改变值上，即C1j,dS,M1=C1j,dS,M0-Σm1C1j,dS,C1,j=1,2,...,N,j≠d; 式中C1j，d S，M1表示经过第1次修正后的第j层一阶振型斜率改变值；(6)以修正后的各层一阶振型斜率改变值为基础，重复步骤(5)，进行下一次循环的计算，得到经过第2次修正后的第j层一阶振型斜率改变值C1j，d S，M2，不断循环计算，直到修正后的最小一阶振型斜率改变值大于阈值L时循环终止，L为负值，其绝对值等于初始最大一阶振型斜率改变值的5％～10％；再利用最终得到的一阶振型斜率改变值，进行损伤位置判别：一阶振型斜率改变值大于0的层为损伤层；(7)假设各层分别发生不同程度的损伤，建立相应的单损伤工况数值模型，进行模态分析，获取结构各种单损伤工况下的一阶振型；(8)比较结构在未损伤工况和各种单损伤工况下的一阶振型，计算得到损伤层的一阶振型斜率改变量，建立在各种单损伤工况下损伤层一阶振型斜率改变量与损伤程度的对应关系；(9)通过比较修正后的一阶振型斜率改变量和数值模拟的各种单损伤工况下的一阶振型斜率改变量，插值得到损伤层的损伤程度。