CN101532919B - 用于工程结构健康诊断的动静结合方法 - Google Patents

Abstract

用于工程结构健康诊断的动静结合方法，它涉及一种工程结构健康诊断的方法。本发明为了解决现有的结构损伤识别方法存在静载测试时器架设困难、测试不易现实、测试时间长等问题。本发明方法的主要步骤为：确定待测对象；制定测试方案；依据既定测试方案对两个样本进行分级加载测试；判断所得的两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)是否为有效测量数据；建立动、静关系模型；测试待测对象中其它结构的频率值f₃、f₄……f_n，通过

求出其它结构的刚度值k₃、k₄……k_n；损伤评定。本发明方法具有操作性强、测试周期短、节省时间、降低成本、安全可靠、快速、造价低等特点。

Description

用于工程结构健康诊断的动静结合方法

技术领域

本发明涉及一种工程结构健康诊断的方法。

背景技术

工程结构其使用年限在几十年甚至上百年，环境侵蚀、材料老化疲劳效应及突发灾难等耦合作用将不可避免的导致结构的损伤积累和抗力衰减，从而导致结构抵抗自然灾难，甚至正常环境作用的能力下降，极端条件下会引发灾难事故。为保证结构的健康即安全性、完整性、适用性、耐久性需要对在役结构进行检测并评定其健康状况。

目前基于结构健康监测和检测技术的结构损伤识别是土木工程行业的热点、难点问题，通常要根据现行规范要求对实际结构进行安全性评估。例如，根据《民用建筑可靠性鉴定》规范规定的“正常使用极限条件下的结构挠度限值为跨度的1/250”等条文可作为结构工作性能和安全性能评价的基准。但在具体实施中往往发生一些困难：1、静载实验的仪器架设困难。对于用于工程监测和鉴定的设备因保证实测数据的可靠性和获得一定的精度，因此仪器架设要求严格。限于工程现场客观操作条件，特定位置仪器架设困难甚至无法架设，直接影响到检测工作的进程和效果。2、现场客观条件制约结构的测试行为。在进行静力测试的过程中，需要停止生产或者封闭拟测试的结构，比如禁止一切车辆通过拟测桥梁等，同时静载加、卸过程通常花费较长时间，致使某些必要的试验无法进行或造成较大的经济损失。3、成本高昂。静力测试需要对结构实施很大的荷载，特别是大型的结构，荷载的施加消耗大量的人力物力，试验成本昂贵，同时耗时巨大。4、振动测试尚无安评依据。基于结构动力参数的动力测试方法最大的问题在于对结构的工作性能缺少规范等条文指导，所有很难对结构的工作性能尤其是结构的安全性能做出定量、定性的结论。

如前所述，基于结构健康监测和检测的结构损伤识别和鉴定加固技术存在若干亟待解决的难题。以上的问题制约了结构健康监测和检测技术的结构损伤识别方法在工程实践的应用。

发明内容

本发明为了解决现有的结构损伤识别方法存在静载测试仪器架设困难、测试不易实现、测试时间长等问题，进而提供了一种用于工程结构健康诊断的动静结合方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的用于工程结构健康诊断的动静结合方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、确定待测对象：选定至少三个测试对象，且所述至少三个测试对象均满足广义对称条件的梁式结构；

步骤二、制定测试方案：从待测对象中选取两个结构作为样本进行动载、静载测试，根据待测对象的现场工程条件及承载变形能力确定静力加载点和拟定加载量级；并在样本结构上布置位移计，在样本结构上安装加速度传感器及配套的采集仪器和计算机；

步骤三、依据既定测试方案对两个样本进行分级加载测试；通过若干个静力测试数据拟合分别得到两个样本结构的刚度值k₁、k₂；通过模态识别分别得到两个样本结构的固有频率值f₁和f₂；从而得到两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)；

其中：k₁和k₂为刚度，单位为牛/米；

f₁和f₂为固有频率，单位为赫兹；

步骤四、判断在步骤三中所得的两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)是否为有效测量数据；如果是启动步骤五，否则；重复步骤二和步骤三，据测试信息修改测试方案或测试其它样本结构，直到得到两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)为止；

步骤五、建立动、静关系模型： $f\left(k\right)=a_1{k}^{a_2}---\left(1\right)$

a₁和a₂为未知系数，利用在上述步骤获得的两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)测量值求出(1)式中的未知系数a₁和a₂；

步骤六、测试待测对象中其它结构的频率值f₃、f₄……f_n，通过(1)式求出其它结构的刚度值k₃、k₄……k_n；

步骤七、损伤评定：根据公试 $\mathrm{\Δ}=\frac{P}{k_n},$ 求出待测对象的各个挠度值Δ₁、Δ₂……Δ_n；判断Δ_n是否满足Δ_n≤[Δ]；进而得出损伤评定结果；

其中：P为极限使用条件下的荷载，P值可来自工程设计资料、现场统计、或结合工程实际情况合理估算。

本发明的有益效果是：本发明较比传统的静力测试方法或者是仅基于结构动力参数的动力测试方法，具有操作性强、测试周期短、节省时间、降低成本、安全可靠、快速、造价低等特点。具体实施时，仅需对其中几个结构进行静力和动力的联合测试，剩余的检测对象仅需要动力测试即可达到静力检测的效果。具体而言，首先在待测的结构中选取几个结构作为样本，通过分级加载的方式，采集各个样本关键位置(如钢桁架跨中)的挠度值，运用实验分析技术获得样本的刚度信息；然后对样本进行动力测试，获得样本结构的模态信息(如结构固有频率)，通过数理统计方法建立二者的回归关系。对样本外的其余结构仅需进行动力测试，通过动、静参数的对应关系获得结构的刚度信息，结合我国现行规范中结构刚度相关规定评判结构的健康状态。本发明方法融合了振动测试和静力测试技术的特点，能够解决具有对称或广义对称的若干类工程结构的健康检测和健康诊断问题。本发明适用于具有广义对称性的且具有一定数量的大跨梁式结构的健康诊断方法，该方法经过静——动——静的技术工艺能经济、方便、高效地进行在役结构的健康诊断。本发明涉及桥梁、工民用建筑等土木工程结构的健康监测、检测领域，尤其适用于具有广义对称性且具备一定数量的大跨梁式结构的健康诊断，如拓扑形式相同的若干桁架结构、型式相同的若干桥梁等。具体说，涉及到在役结构的力学特性、测试策略、信息采集与处理、安全诊断等。

本发明对现有技术的贡献主要体现在下几个方面：

(1)克服了静力方法实施周期长，费用高的缺点，本发明的方法可经济、方便、高效地断定结构的安全性。

(2)该发明采用基于正确的试验数据及数理统计的方法建立动测、静测数据之间的关系，切实解决某些特定位置结构挠度的测算问题，可以避免以前用估计的方法带来的误差。

(3)开创性地解决了通过结构动力测试数据对结构安全性定量定性分析的技术难题。

附图说明

图1是本发明的流程框图，图2是荷载-挠度原理曲线图(A表示推测内力挠度，B表示试验加载，C表示原内力，D表示试验量测挠度，E表示桁架变形总挠度，F表示规范规定的挠度限值，G表示该图例明确显示结构安全服役)，图3是钢管构造的简支梁结构加载方案图，图4是通过静力试验数据获得结构刚度的荷载-挠度曲线图(样本2)，图5是处理软件显示的动载测量结果图(样本2)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1和2所示，本实施方式所述的用于工程结构健康诊断的动静结合方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、确定待测对象：选定至少三个测试对象，且所述至少三个测试对象均满足广义对称条件的梁式结构；满足“广义对称条件”系指待测的各个结构具有相同或相似拓扑形式，几何尺寸(结构或构件的长、宽、高等尺寸)和边界条件(结构支座或支撑条件及与周围环境的关系)相同或相近

选定多个(至少三个)梁式结构作为测试对象，所述的多个梁式结构均应满足广义对称条件。梁式结构系指在工程中计算简图为简支梁、悬挑梁、刚性支座梁的长细结构。(如桥梁的桥体、吊车梁、大跨桁架结构、烟筒、信号发射塔等)。广义对称条件指选定的多个梁式结构之间在几何尺寸、材质、边界条件上均相同或相似。例如按照一份图纸建造的20座手机信号塔，在构件尺寸、材质及塔底支座处的嵌固条件上差别很小，则此20个塔结构构成的测试对象可运用动静结合法进行健康诊断，每个塔可作视为测试对象中的一个待测结构

步骤二、制定测试方案：从待测对象中选取两个结构作为样本进行动载(振动)、静载测试，根据待测对象的现场工程条件及承载变形能力确定静力加载点和拟定加载量级；并在样本结构上布置位移计，在样本结构上安装加速度传感器及配套的采集仪器、计算机；

步骤三、依据既定测试方案对两个样本进行分级加载测试；通过若干个静力测试数据拟合分别得到两个样本结构的刚度值k₁、k₂；通过模态识别分别得到两个样本结构的固有频率值f₁和f₂；从而得到两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)；

其中：k₁和k₂为刚度，单位为牛/米；

f₁和f₂为固有频率，单位为赫兹；

步骤四、判断在步骤三中所得的两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)是否为有效测量数据；如果是启动步骤五，否则；重复步骤二和步骤三，据测试信息修改测试方案或测试其它样本结构，直到得到两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)为止；

步骤五、建立动、静关系模型： $f\left(k\right)=a_1{k}^{a_2}---\left(1\right)$

a₁和a₂为未知系数，利用在上述步骤获得的两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)测量值求出(1)式中的未知系数a₁和a₂；

步骤六、测试待测对象中其它结构的频率值f₃、f₄……f_n，通过(1)式求出其它结构的刚度值k₃、k₄……k_n；

步骤七、损伤评定：根据公试 $\mathrm{\Δ}=\frac{P}{k_n},$ 求出待测对象的各个挠度值Δ₁、Δ₂……Δ_n；判断Δ_n是否满足Δ_n≤[Δ]；进而得出损伤评定结果；

其中：P为极限使用条件下的荷载，P值可来自工程设计资料、现场统计、或结合工程实际情况合理估算。

在步骤七中，对比结果获得结构的损伤信息，按以下判据对实际结构进行安全评估：(1)以我国现行结构《规范》中相关条文中规定的结构刚度限制为结构的健康准则。通过对比结构的刚度信息判断结构的安全性能。本发明中首次提出荷载——挠度原理曲线，可依此原理可判断所测结构正常使用极限状态条件下的安全性能。(2)结构实测频率与样本实测频率的误差不应超过4％，超过此值应进行静力实验。(3)对结构进行安全评估时，结构的支撑情况、局部的完好程度均应按现行规范予以考虑。

在步骤二中，测试方案包括仪器架设及加载方案。位移测量可选用合适量程的千分表(百分表)，仪表架立在刚性支座上，或者选用诸如拉线位移计、激光位移器等可精确测量位移的其它仪器。振动测试所用传感器应合理布置在能反应待测结构振动特点的关键部位上，同时在相邻结构上也需布置传感器以方便结构模态参数的识别。加载设备可根据工程特点选用合适的方法，但要求加载设备加载过程中质量可控。如采用标准配重分级加载或注水、停车、移动轨道式起吊车等。

在步骤二中采用分级加载，每级加载完成后稳定15分钟再进行仪表读数，读数完成后立即进行(振动)动载测试。振动测试指通过传感器和采集仪采集结构物静力加载点附近由环境脉动引起的结构振动信息，条件允许时可采用人工脉冲、激振器扫频、白噪声(白噪声是一般的专业，在本科、研究生教科书中可查)激振等方法对结构激振。数据采集及数据存储仪器的精度应满足工程要求。

样本结构的刚度信息通常是依据仪表读数及加载信息按线性回归的方式获得。模态信息根据采集器记录的振动信号在时间域的分析或通过FFT(傅立叶变化)、自功率谱等频率和相位的分析技术获得。

建立动、静参数的定量关系指建立结构的模态参数(频率)等与结构的静力参数(刚度)关系，这种关系可以是点对点的对应关系也可是具有强相关性的统计关系，其目的是已知动力参数的条件下合理估计出结构的静力参数。

本发明依据结构静载实验的荷载——挠度原理曲线(如图2)可结合工程现场的条件灵活地实现计算结构的刚度计算，进而反演出结构在使用荷载作用下的绝对挠度。具体而言，如果试验加满荷载，则可以直接测试结构的最大挠度，如果受条件限制，无法加满荷载，则可以依据部分加载得到的结构刚度推算结构在满载时的最大挠度。以最大挠度和规范允许最大挠度为对比指标能准确界定结构的服役安全性。

本发明的首次提出在检测对象中如存在具备动静结合法基本应用条件的结构，可对其中部分样本结构的进行振动、静载联合试验，建立动、静参数相关关系，依此关系仅对剩余结构振动测试推测结构静力参数的健康诊断思路。依此思路可大幅减少静力测试这一高成本工序。结合工程检测的精度要求，形成适用于本发明的一套检测程序及精密设备，测试周期短、工程操作性强。

具体实施方式二：如图1和2所示，本实施方式在步骤三中每级加载完成后稳定15分钟再进行仪表读数，读数完成后立即进行动载测试；振动测试指通过传感器和采集仪采集结构物静力加载点附近由环境脉动引起的结构振动信息或采用人工脉冲、激振器扫频、白噪声激振方法对结构激振。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1和2所示，本实施方式在步骤三中样本结构的刚度信息是依据仪表读数及加载信息按线性回归的方式获得；振动测试的模态信息根据采集器记录的振动信号在时间域的分析或通过傅立叶变化获得。其它步骤与具体实施方式一或二相同。

本发明方法(动静结合法)有效性验证——输油管的损伤识别：

试验说明：

测试对象为一批油田输送原油的无缝高强长钢管，钢管几何特征为30×3(外径30mm，壁厚3mm)，长度为9.8米。参与试验的钢管一共9根，其中6根钢管完好无损，3根钢管具有一定的人工损伤。3根有损伤钢管中，一根是在钢管长度4.4米处用锤子砸出一处凹陷；另两根是在钢管全长1/3处人工锯开小缝隙(深度分别为1mm，5mm)。

将测试的钢管设置在预先设计的支座上，钢管和支座便构造成一个边界铰接的简支梁，结构简图如附图3所示。这样所有钢管构造成具有相同材料、相同截面、相同长度、相同支撑条件、相同试验条件的“对称”结构。

一、动静结合法的测试过程

(一)测试前的准备阶段

1、测试对象为9根钢管，每根钢管均满足广义对称条件的梁式结构的条件。

2、结合结构特点将静荷载加载点设置在钢管的跨中(见附图3)，在加载点附近设置一只垂直方向传感器3(垂直方向传感器3通过连接线4连接至采集仪)，记录简支梁竖直方向的振动信息。

3、静载测试时，在加载点用标准配重分五级施加每级2Kg的载荷，总共10Kg配重(附图3中标记5所示)，每级加载完成后等待15分钟使千分表6读数趋于稳定，然后读千分表表盘。通过前、后加载级对应的表盘读数差值获得结构跨中挠度信息。一次完整的加载过程包括5次加载及5次卸载，重复此加载程序获得多组(荷载，挠度)信息。

4、动力测试(振动测试)时，激振方式采用初位移释放法，具体操作是在简支梁跨中施加2kg重物使钢管产生一定的变形，然后突然移除重物，钢管发生自由衰减振动。通过传感器实时记录结构的振幅——时间振动信息(见附图5)。

(二)样本的测试阶段

按照“测试前的准备阶段”制定的加载和数据采集计划分别对样本1和样本2进行静力和动力(振动)的联合测试。获得两个样本的静力、动力测试数据。见表1的前两行。

(三)样本数据整理，动、静关系的确定

1、静力信息整理：将“样本的测试阶段”获得的每个样本的静载数据置入挠度——荷载直角坐标系中，通过线性拟合获得结构的挠度——荷载曲线，该拟合直线的斜率就是该样本的刚度值。(详见附图4)

2、振动信息处理：将振动测试记录到的振幅——时间信息，通过自功率转换转化成自功率谱图，其中曲线的峰值点即为结构的固有频率。(见附图5)

3、动、静参数相关性的确定：将静、动参数(f₁，k₁)(f₂，k₂)代人动静结合法的函数通式 $f\left(k\right)=a_1{k}^{a_2}$ 中，得到a₁＝0.895  a₂＝0.523。所以本例中的动静参数的关系式为f_n＝0.895k_n ^0.523

(四)其它结构的振动测试阶段

对剩余的七个钢管简支梁结构仅进行动力测试，获得各个结构的动、静参数(f_n，，n为3、4、5、6、7、8、9)，根据动静参数的关系式f_n＝0.895k_n ^0.523计算出f_n结果列于表1中。

(五)结构损伤状态的评估

编号7、8、9的钢管计算出刚度与样本的刚度的差值较大，按照“动静结合法”的评判依据对7、8、9的钢管重新进行静载试验，结果列于附表1。依据所有的刚度值判断结构的损伤状态，结果列于附表1中。因本例是验证性试验无法套用我国现行工程结构《规范》条文中结构静载刚度的相关规定判断结构安全性。

二、试验结果

测试结果列于表1中

表1测试结果汇总

钢管编号	计算刚度值(104N/m)	频率值(Hz)	实测刚度值(104N/m)	杆件描述
					1(样本1)		1.7794	3.7201	完好
2(样本2)		1.7813	3.7276	完好
					3	3.7284	1.7813		完好
4	3.7360	1.7832		完好
					5	3.7208	1.7794		完好
6	3.7284	1.7813		完好
					7	3.6535	1.7625	3.6745	1mm切口(未锯透钢管)
8	3.3620	1.6875	3.4133	5mm切口

9

3.5896

1.7463

3.5985

跨中“凹弦”损伤

结论

1、如表1试验数据所示，6个无损伤钢管静参数(刚度)与动参数(频率值)差别很小且动、静参数具有f_n＝0.895k_n ^0.523的函数关系。钢管7、8、9的计算刚度与实测刚度的对比效果证明此函数关系是准确的。

2、本例试验过程证明，通过动、静结合法的节省测试工序——静力测试，可大幅节约时间成本及劳务成本。本例中采用动力测试的时间从仪器架设到数据采集完毕平均消耗20分钟，静力测试的时间则需2个小时。以100根钢管的损伤检测任务为例，采用传统的基于静力检测技术进行损伤识别则需200小时，而运用动静结合法进行损伤检测至少可节省90根钢管的静力测试时间，共需用时22小时，效率提高10倍。

Claims (3)

1.一种用于工程结构健康诊断的动静结合方法：其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、确定待测对象：选定至少三个测试对象，且所述至少三个测试对象均满足广义对称条件的梁式结构；

步骤二、制定测试方案：从待测对象中选取两个结构作为样本进行动载、静载测试，根据待测对象的现场工程条件及承载变形能力确定静力加载点和拟定加载量级；并在样本结构上布置位移计，在样本结构上安装加速度传感器及配套的采集仪器和计算机；

步骤三、依据既定测试方案对两个样本进行分级加载测试；通过若干个静力测试数据拟合分别得到两个样本结构的刚度值k₁、k₂；通过模态识别分别得到两个样本结构的固有频率值f₁和f₂；从而得到两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)；

其中：k₁和k₂为刚度，单位为牛/米；

f₁和f₂为固有频率，单位为赫兹；

步骤四、判断在步骤三中所得的两组静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)是否为有效测量数据；如果是启动步骤五，否则；重复步骤二和步骤三，据测试信息修改测试方案或测试其它样本结构，直到得到两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)为止；

步骤五、建立动、静关系模型：

a₁和a₂为未知系数，利用在上述步骤获得的两组有效的静、动参数(f₁，k₁)和(f₂，k₂)测量值求出(1)式中的未知系数a₁和a₂；

步骤六、测试待测对象中其它结构的频率值f₃、f₄……f_n，通过(1)式求出其它结构的刚度值k₃、k₄……k_n；

步骤七、损伤评定：根据公试 

求出待测对象的各个挠度值Δ₁、Δ₂……Δ_n；判断Δ_n是否满足Δ_n≤[Δ]；进而得出损伤评定结果；

其中：P为极限使用条件下的荷载。

2.根据权利要求1所述的用于工程结构健康诊断的动静结合方法：其特征在于：在步骤三中每级加载完成后稳定15分钟再进行仪表读数，读数完成后立即进行动载测试；动载测试指通过传感器和采集仪采集结构物静力加载点附近由环境脉动引起的结构振动信息或采用人工脉冲、激振器扫频、白噪声激振方法对结构激振。

3.根据权利要求1或2所述的用于工程结构健康诊断的动静结合方法：其特征在于：在步骤三中样本结构的刚度信息是依据仪表读数及加载信息按线性回归的方式获得；动载测试的模态信息根据采集器记录的振动信号在时间域的分析或通过傅立叶变化获得。 

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