CN105064420A - 一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，包括：建立高桩码头基桩结构有限元模型，并将结构划分为多个单元，每个单元2个节点；在每个单元上设置加速度传感器，采集在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存；对模态试验数据进行模态参数识别，识别出前几阶的低阶模态频率和振型；模型修正，得到基准有限元模型；在未损伤工况和损伤工况下，分别提取各单元的刚度矩阵和质量矩阵；计算出各单元中每个自由度残余模态力向量，当其绝对值大于设定值时，判定存在损伤，并按照自由度对应的节点来定位结构损伤所处的位置。本发明本方法仅需结构损伤前后的低阶模态信息，就可对结构在单一损伤、多处损伤状况下进行损伤诊断。

Description

一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法

技术领域

本发明涉及码头基桩损伤诊断方法，特别是一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法。

背景技术

高桩码头，是由基桩和上部结构组成，桩的下部打入土中，上部高出水面，上部结构有梁板式、无梁大板式、框架式和承台式等。高桩码头属透空结构，波浪和水流可在码头平面以下通过，对波浪不发生反射，不影响泄洪，并可减少淤积，适用于软土地基。广泛采用长桩、大跨结构，并逐步用大型预应力混凝土管柱或钢管柱代替断面较小的桩，而成管柱码头。高桩码头是用系列长桩打入软土地基形成桩基础，以承受上部结构传来的荷载。它的特点是结构简单，能承受较大荷载，材料用量少，适用于软土层较厚的淤泥质海岸。在港口码头工程中，高桩码头是主要的应用结构型式之一，在船舶停靠码头时的撞击力、岸坡的变形变位、使用荷载等一些外荷载的作用下，高桩码头基桩出现损伤的问题普遍存在。高桩码头基桩对高桩码头的安全性及稳定性起着很重要的作用，它是支撑高桩码头上部结构的主要受力构件。码头结构基桩损伤诊断，其目的是确定结构是否存在损伤，进而判断损伤的程度和方位，结构目前的状况、使用功能以及结构损伤的变化趋势等。现有的损伤诊断方法多采用反射波法，在反射波法中，波速是基桩损伤诊断的最基本参数，从影响因素来说，参数的复杂性导致该方法存在以下问题：一是波形曲线受桩周不同土层的影响，并且桩周土会造成应力波损耗，准确诊断损伤，需要了解对桩周的土质情况；二是基桩的第二处损伤难以准确识别，当第一处损伤比较大时，力波的上行与下达会受到严重的影响，这将直接导致第二处损伤识别难度的增加；三是只能对基桩的损伤进行基本的定性分析，不能达到定量的高度，根据单一的应力波形特征，对基桩损伤段的厚度以及裂隙宽度作出定量分析还难以实现；此外，高桩码头基桩的上部一般都***头上部结构如桩帽、横梁、纵梁、面板等，当采用传统的应力反射波损伤识别法诊断基桩的完整性时，由于应力波会在桩帽与桩顶的接触面、纵横梁与桩帽接触面、面板与纵横梁接触面以及基桩损伤处出现多次反射与传播，这就给基桩损伤诊断带来很大的干扰，造成基桩损伤诊断的困难。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，包括如下步骤：

步骤一：建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，并将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点；

步骤二：在每个所述单元上设置加速度传感器，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存；

步骤三：对所述模态试验数据进行模态参数识别，识别出高桩码头基桩结构的一至N阶模态频率和振型；

步骤四：根据识别结果，对所述步骤一中的有限元模型进行模型修正，得到基准有限元模型；

步骤五：在未损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤六：在损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取相应工况下的各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤七：根据损伤前后各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵，计算出各所述单元中每个自由度的残余模态力向量，当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值大于设定值时，判定结构存在损伤，并按照自由度对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

所述步骤一中，采用ANSYS有限元分析软件建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，使用ANSYS有限元分析软件中的Beam4单元进行离散，将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点，每个节点包含6个自由度，建立单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表。

进一步地，所述步骤一中，建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型时，在数值模拟过程中,以高斯白噪声来代替自然环境对高桩码头基桩模型的加载,对高桩码头基桩模型进行模态分析。

进一步地，对高桩码头基桩模型进行加载时，加载的位置为所有节点的X方向和Y方向，加载的高斯白噪声通过MATLAB中的wgn命令来生成。

所述步骤二中，所述加速度传感器采用无线信号输出，工作频率下限≤0.5Hz，通过结构动力响应记录仪，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存。

所述步骤三中，通过在MATLAB下编程得到时域数据的自功率谱、互功率谱、相干函数和互谱相位，识别模态频率和振型。

进一步地，所述步骤三中，N≤3。

所述步骤四中，采用零阶优化或一阶优化算法进行模型修正。

所述步骤七中，计算各所述单元中每个自由度的残余模态力向量的计算公式简化为：式中：R_i为结构的第i阶残余模态力向量；ω_di为损伤结构的第i阶自振频率；为损伤结构的第i阶振型，M表示***未损伤工况下的质量矩阵；K表示***未损伤工况下的刚度矩阵；ΔK表示结构损伤引起的整体刚度矩阵的变化量。

进一步地，所述步骤七中，定义|R_ji|为单元各自由度对应的残余模态力向量绝对值，其表达式为：式中i表示模态的阶数；j表示损伤结构的自由度序号；n为该结构***的自由度总数；当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值值大于设定值时，判定结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、与传统的有损伤诊断方法相比，本发明提出的方法操作简单，无需潜水员和水面支撑船进行水下作业，本发明提出的方法为无损诊断技术不会对原始结构造成破坏；

2、与现有的反射波法测试的损伤诊断方法相比，本发明避免了反射波法中多次反射与传播给基桩损伤诊断带来的干扰，能够准确定位结构的损伤；

3、本发明提出的方法是利用高桩码头基桩损伤前后各单元的刚度矩阵和质量矩阵及模态参数的变化，计算出各单元各自由度的残余模态力向量来实现结构损伤诊断的。本方法仅需结构损伤前后的低阶模态信息，就可对结构在单一损伤、多处损伤状况下进行损伤诊断。本方法在高桩码头桩基检测中具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为以高桩码头排架为例建立有限元模型的单元划分图；

图3为高桩码头排架白噪声加载信号图

图4为白噪声加载位置图；

图5为单一损伤位置图；

图6为工况1：3号单元损伤10％时一阶模态下残余模态力向量图；

图7为工况2：3号单元损伤10％时四阶模态下残余模态力向量图；

图8为工况3：3号单元损伤30％时一阶模态下残余模态力向量图；

图9为工况4：3号单元损伤30％时四阶模态下残余模态力向量图；

图10为工况5：3号单元损伤50％时一阶模态下残余模态力向量图；

图11为工况6：3号单元损伤50％时四阶模态下残余模态力向量图；

图12为多位置损伤示意图；

图13为工况7：2号单元损伤10％、15号单元损伤30％、28号单元损伤50％时一阶模态下残余模态力向量图；

图14为工况8：2号单元损伤10％、15号单元损伤30％、28号单元损伤50％时三阶模态下残余模态力向量图；

图15为工况9：2号单元、15号单元、28号单元均损伤30％时一阶模态下残余模态力向量图；

图16为工况10：2号单元、15号单元、28号单元均损伤30％时三阶模态下残余模态力向量图；

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，包括如下步骤：

步骤一：建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，并将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点；

步骤二：在每个所述单元上设置加速度传感器，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存；

步骤三：对所述模态试验数据进行模态参数识别，识别出高桩码头基桩结构的一至N阶模态频率和振型；

步骤四：根据识别结果，对所述步骤一中的有限元模型进行模型修正，得到基准有限元模型；

步骤五：在未损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤六：在损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取相应工况下的各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤七：根据损伤前后各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵，计算出各所述单元中每个自由度的残余模态力向量，当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值大于设定值时，判定结构存在损伤，并按照自由度对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

所述步骤一中，可采用ANSYS有限元分析软件建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，可使用ANSYS有限元分析软件中的Beam4单元进行离散，可将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点，每个节点包含6个自由度，建立单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表。

进一步地，所述步骤一中，建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型时，可在数值模拟过程中,以高斯白噪声来代替自然环境对高桩码头基桩的加载,对高桩码头基桩模型进行模态分析。

进一步地，对高桩码头基桩模型进行加载时，加载的位置可为所有节点的X方向和Y方向，加载的高斯白噪声可通过MATLAB中的wgn命令来生成。

所述步骤二中，所述加速度传感器可采用无线信号输出，工作频率下限可≤0.5Hz，可通过结构动力响应记录仪，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存。

所述步骤三中，可通过在MATLAB下编程得到时域数据的自功率谱、互功率谱、相干函数和互谱相位，识别模态频率和振型。

进一步地，所述步骤三中，N可≤3。

所述步骤四中，可采用零阶优化或一阶优化算法进行模型修正。

所述步骤七中，计算各所述单元中每个自由度的残余模态力向量的计算公式可简化为：式中：R_i为结构的第i阶残余模态力向量；ω_di为损伤结构的第i阶自振频率；为损伤结构的第i阶振型，M表示***未损伤工况下的质量矩阵；K表示***未损伤工况下的刚度矩阵；ΔK表示结构损伤引起的整体刚度矩阵的变化量。

进一步地，所述步骤七中，可定义|R_ji|为单元各自由度对应的残余模态力向量绝对值，其表达式可为：式中i表示模态的阶数；j表示损伤结构的自由度序号；n为该结构***的自由度总数；当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值值大于设定值时，判定结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置；理论上，结构在无损伤状态时，其残余模态力绝对值应等于零，但在现实状态下由于存在环境噪声和仪器测量误差，残余模态力向量绝对值中的元素值不绝对等于零，但与零值偏差不大。故所述设定值可根据经验设为略大于零的数值，因此当结构残余模态力向量绝对值中的元素值显著大于零时即大于设定值时，判定该结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。如果中的R_j的绝对值大于设定值，则判定结构存在损伤，可由第j自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

高桩码头排架基桩是高桩码头基桩的典型结构，其广泛应用于港口码头，其结构具有代表性，现以高桩码头排架基桩为例，具体说明基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法。

请参阅图2，步骤一，对高桩码头排架基桩建立未损伤状态下的结构有限元模型，该高桩码头排架模型样件的基本参数如下：排架中直桩高H₁＝3.0m，,横梁每跨长L＝3.0m,叉桩长度为H₂＝3.1m,方桩横截面边长B＝0.08m,弹性模量E＝2.70e¹⁰p_a,密度为ρ＝2700km/m³,泊松比μ＝0.167。根据高桩码头排架样件的物理特性，以及参考经验知识，并考虑结构的其他因素如桩基、上部结构的相互作用等，来建立初始有限元模型，样件实际物理模型的模态参数，由结构的有限元模型进行模态分析获得。可采用目前市场上的有限元分析软件进行建模，如ANSYS有限元分析软件等，可采用ANSYS有限元分析软件中的Beam4单元，将该高桩码头排架进行离散，在ANSYS中Beam4单元有两节点，包含6个自由度。可将高桩码头排架离散成36单元、37节点的有限元模型，考虑到桩土相互作用时的复杂性和计算量，本次模拟将基桩和土的边界条件按“嵌固点”理论来简化，即基桩底部为固定约束。37个节点，每个节点考虑6个自由度，即UX、UY、UZ和ROTX、ROTY、ROTZ.，结构可简化为共有222个自由度的离散单元。建立单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表，模型中单元位置见附图2,单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表见下表：

为精确地模拟高桩码头排架基桩的实际状态，在数值模拟过程中,以高斯白噪声来代替自然环境对高桩码头基桩的作用,对高桩码头基桩模型进行加载进行模态分析。加载的位置为排架所有节点的X方向和Y方向，有限元模型上加载的高斯白噪声通过MATLAB中的wgn命令来生成。例如：BZS＝wgn(1800,1,1)就产生一组1800行1列，强度为1，均值为零，方差为1的高斯白噪声数据。加载的白噪声荷载见图3，加载的位置见图4。

步骤二，在未损伤状态下的高桩码头排架基桩结构(样件)上，按照模型划分设定检测单元，安装加速度传感器，加速度传感器可采用无线信号输出，用能够采集加速度传感器信号并记录动态信号的结构动力响应记录仪进行数据采集及存储记录，结构动力响应记录仪与所选传感器配套，输入通道与加速度传感器的数量相匹配，根据高桩码头基桩的物理特性，计算其一阶固有频率，选用的加速度传感器最低工作频率应低于高桩码头基桩一阶固有频率。宜选用低频传感器，频率下限应不大于0.5Hz,频响曲线宜平坦，传感器的横向灵敏度应小于0.05。结构动力响应记录仪宜采用带低通滤波功能的多通道放大器，优选用抗混淆滤波放大器。频响范围，低频不大于0.5Hz，高频大于传感器最高频率，输入噪声水平应低于2μV，多通道放大器要求各个通道无串扰，各通道相位一致，频响范围相同，其振幅一致性应小于3％，相位一致性偏差应小于0.1ms。

基于振动测试的动态检测方法是一种有效的无损检测方法，它既能在实验室实现，也能应用于实际工程中，并且不影响结构的正常使用，能对结构隐蔽部位进行检测及损伤诊断。一般模态识别方法是基于实验室条件下的频率响应函数进行的参数识别方法，它要求同时测得结构上的激励和响应信号。但是，在许多工程实际应用中，工作条件和实验室条件相差很大，对一些大型结构无法施加激励或施加激励费用很昂贵，因此要求识别结构在工作条件下的模态参数。

工作条件下的模态参数识别方法与传统模态参数识别方法相比有如下特点：一、仅根据结构在环境激励下的响应数据来识别结构的模态参数，无需对结构施加激励，激励是未知的，无需对结构本身进行激励，仅需直接测取结构在风力、浪速等环境激励下的响应数据就可以识别出结构的模态参数。该方法识别的模态参数符合实际工况及边界条件，能真实地反映结构在工作状态下的动力学特性。二、该种识别方法不施加人工激励完全靠环境激励，节省了人工和设备费用，也避免了对结构可能产生的损伤问题。三、利用环境激励的实时响应数据识别结构参数，能够识别由于环境激励引起的模态参数变化。

步骤三，可利用记录保存的加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据，在MATLAB下编程运行得到时域数据的自功率谱、互功率谱、相干函数和互谱相位，从而识别了高桩码头排架基桩结构模型的前3阶模态频率和振型。这样对所述模态试验数据进行模态参数识别，识别出样件基桩结构的一至N阶模态频率和振型。

步骤四，将步骤三的试验分析结果与采用ANSYS建立高桩码头模拟模型对比，修正相应的模态参数，进行模型修正，得到基准有限元模型；当两者模态参数的数值相差比较大时，可采用多次测试，使试验分析结果更准确。修正可采用零阶优化和一阶优化算法等算法，对比两种优化算法，一阶优化算法精确度略高，但计算时间远超过零阶算法。修正后的有限元模型动力特性更趋近于实测值，同时为样件基桩结构的动力响应分析、损伤诊断和整体性评估提供基准。

步骤五，在未损伤工况下，对高桩码头排架基桩结构的基准有限元模型进行模态分析，提取各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；可使用ANSYS的超单元等方法提取单元刚度矩阵与质量矩阵，在有限元模型中，假设单元的损伤只表现为单元刚度的降低而不表现在单元质量的改变上，则在模拟有限元中，可以通过降低单元的弹性模量来模拟结构的损伤。

步骤六，对单一损伤，模拟单元分别损伤10％、30％、50％时的情况；对多处损伤，模拟三处不同单元分别损伤10％、30％、50％时的情况。在上述工况下，对高桩码头排架基桩结构的基准有限元模型进行模态分析，提取各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；可使用ANSYS的超单元等方法提取单元刚度矩阵与质量矩阵。

步骤七，根据损伤前后高桩码头排架基桩各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵，计算出各所述单元中每个自由度的残余模态力向量，当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值大于设定值时，判定结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置；可通过单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表，查询自由度对应的节点编号和单元编号。

通过改变离散结构单元的弹性模量来模拟离散单元的损伤，然后从有限元中提取不同损伤时的模态参数代入基于MATLAB编写的残余模态力计算程序中，计算出结构在各种损伤状态下的各自由度和各节点的残余模态力。

其中，计算各所述单元中每个自由度的残余模态力向量的计算公式简化为：

式中：R_i为结构的第i阶残余模态力向量；ω_di为损伤结构的第i阶自振频率；为损伤结构的第i阶振型，M表示***未损伤工况下的质量矩阵；K表示***未损伤工况下的刚度矩阵；ΔK表示结构损伤引起的整体刚度矩阵的变化量。定义|R_ji|为单元各自由度对应的残余模态力向量绝对值，其表达式为：

$\left|R_{ji}\right|={\left(\right|R_1|,|R_2|,...,|R_j|,...,|R_n\left|\right)}_i^{\mathrm{\τ}},$

式中i表示模态的阶数；j表示损伤结构的自由度序号；j与特征值向量以及***振型的自由度序号一致；n为该结构***的自由度总数；R_i为结构的第i阶残余模态力向量，当残余模态力向量绝对值中的元素值不等于零时，判定结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

本发明的工作原理及残余模态力的具体计算方法如下：

对于n个自由度的线性结构体系，其强迫振动的二阶微分方程可表示为：

$M\stackrel{\·\·}{u}+C\stackrel{\·}{u}+Ku=f\left(t\right)---\left(1\right)$

式中：M表示***未损伤工况下的质量矩阵；C表示***未损伤工况下的阻尼矩阵；K表示***未损伤工况下的刚度矩阵。ü表示加速度向量；表示速度向量；u表示位移向量；f(t)表示外部激振向量。

若忽略结构阻尼对结构的影响，在自由线性振动时，具有n个自由度的***自由振动方程为：

Mü+Ku＝0(2)

解微分方程，式(2)可化成如下形式：

式中：ω_n为结构的固有频率；表示结构固有频率对应的振型。

对损伤结构***进行模态分析,可得到损伤结构各阶振动模态参数,即满足损伤结构***的自由振动特征方程:

式(4)中:K_d表示结构损伤后的整体刚度矩阵，ω_dn表示结构损伤后第n阶固有频率也即特征方程的特征值，M_d表示结构损伤后的整体质量矩阵，表示结构损伤后第n阶固有频率对应的振型也即特征方程的特征向量。

假设结构在损伤后，***仍满足线性振动的特性，且结构的损伤归结为质量的损失和结构刚度的降低。则损伤结构的刚度矩阵和质量矩阵与原始未损伤结构的刚度矩阵和质量矩阵的关系可表示为：

K_d＝K+ΔK(5)

M_d＝M+ΔM(6)

式(5)中：ΔK表示结构损伤引起的整体刚度矩阵的变化量；式(6)中：ΔM表示结构损伤引起的整体质量矩阵的变化量。

将式(5)和(6)代入(4)中，可得：

如果忽略损伤对结构质量的影响，即ΔM＝0，则有：

对(8)式进行整理有：

定义残余模态力向量R_i为：

式中：ω_di为损伤结构的第i阶自振频率；为损伤结构的第i阶振型。

理论上讲，对于完好的结构***，R_i＝0，即满足上述特征方程；当***存在损伤时，其固有频率和对应的振型相对于完好的结构状态会发生改变，则R_i≠0，因为R_i具有力的量纲，因此定义R_i为结构的第i阶残余模态力向量，即：

$R_i={(R_1,R_2,...,R_j,...,R_n)}_i^T---\left(11\right)$

式(11)中i表示模态的阶数，i表示阶数，j表示损伤结构的自由度序号，与特征值向量也即***振型的自由度序号一致，n为该结构***的自由度总数。

在理想状态下，假设结构***处于第i阶模态，将***进行离散，当结构在某一单元处存在损伤时，则该单元对应自由度的残余模态力不为零，即表现为：R_ji≠0，而离散结构在其他未损伤单元对应自由度上的残余模态力向量为零。因此，在第i阶模态下，当R_i中某一节点自由度的残余模态力R_ji与零值相差较大时，则表明结构在该自由度对应的节点处存在损伤。由此可看出残余模态力向量R_i对损伤单元的位置具有清晰的指示作用，通过计算残余模态力向量R_i可以确定结构的损伤位置，并且由上述分析可知，只需分析***的前几阶低阶模态就可以对结构的损伤进行诊断。

由于结构受环境噪声、测量误差及计算误差的影响，有些未损伤单元的残余模态力也不一定严格等于零，但其数值相对于损伤单元的残余模态力值还是相对较小的。由振型数据的特点可知，计算得到的残余模态力向量可能存在负值，故定义|R_ji|为最终的损伤诊断指标，即：式中|R_ji|为单元各自由度对应的残余模态力向量绝对值，根据残余模态力向量绝对值中元素绝对值的大小即可推断出结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

多种工况下的损伤诊断结果验证方法实例:

1)、单一位置损伤状况下的损伤诊断

为了验证残余模态力向量对结构单一位置不同损伤程度的识别效果，设计3号单元刚度分别降低10％、30％、50％分别在两阶不同模态下的六种工况，损伤位置见图5所示，计算损伤诊断指标残余模态力向量。基于ANSYS对单一损伤结构做摄动分析，通过后处理及二次开发可得到结构的整体刚度矩阵和振型,计算结构在单一位置损伤时的残余模态力向量。单元3对应的节点编号为3和4，对应的自由度编号为18到24。

由图2可知，3号单元对应3、4号节点，对应的自由度序号为13-24号。由图6到图11可知排架中残余模态力出现显著变化的自由度序号为13-24号，故由自由度残余模态力计算的结果可以识别出排架的损伤位于第3号单元附近。

2)、多位置损伤诊断

为了验证残余模态力向量对结构多处不同程度的损伤识别效果，设计2号单元、28号单元、15号单元弹性模量均降低30％和2号单元弹性模量降低10％、15号单元弹性模量降低30％、28号单元弹性模量降低50％时在两阶不同模态下的4种工况，其损伤位置见图12，分别计算损伤诊断指标残余模态力向量。得到的残余模态力向量图如图13到图16所示。

根据图2可知，2号单元对应2、3号节点，对应的自由度序号为7-18号，15号单元对应17、18号节点，对应的自由度序号为97-108号，28号单元对应32、33号节点，对应的自由度序号为187-198号。由图5、图12-图15可知排架中基桩残余模态力出现显著变化的自由度序号为7-18、97-108和187-198，故由各自由度残余模态力计算的结果和图13到图16可识别出排架中基桩的损伤位于第2、15、28号单元附近。

基于残余模态力的结构损伤诊断主要是以模态分析理论为基础，通过结构的动力响应进行结构的状态进行识别，它融合了振动理论、振动测试技术、信号采集等知识，它可以不受规模和隐蔽的限制，只要在结构的不同位置布置传感器，通过捕捉结构动力响应参数的变化，利用结构的模态参数和物理参数的关系，组成对结构损伤相对较为敏感识别指标来判别结构的损伤。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，并将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点；

步骤二：在每个所述单元上设置加速度传感器，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存；

步骤三：对所述模态试验数据进行模态参数识别，识别出高桩码头基桩结构的一至N阶模态频率和振型；

步骤四：根据识别结果，对所述步骤一中的有限元模型进行模型修正，得到基准有限元模型；

步骤五：在未损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤六：在损伤工况下，对所述基准有限元模型进行模态分析，提取相应工况下的各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵；

步骤七：根据损伤前后各所述单元的刚度矩阵和质量矩阵，计算出各所述单元中每个自由度的残余模态力向量，当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值大于设定值时，判定结构存在损伤，并按照自由度对应的节点来定位结构损伤所处的位置。

2.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤一中，采用ANSYS有限元分析软件建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型，使用ANSYS有限元分析软件中的Beam4单元进行离散，将高桩码头基桩结构划分为多个单元，每个单元2个节点，每个节点包含6个自由度，建立单元编号、节点编号和自由度编号对应关系表。

3.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤一中，建立未损伤状态下的高桩码头基桩结构有限元模型时，在数值模拟过程中,以高斯白噪声来代替自然环境对高桩码头基桩的加载,对高桩码头基桩模型进行模态分析。

4.根据权利要求3所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，对高桩码头基桩模型进行加载时，加载的位置为所有节点的X方向和Y方向，加载的高斯白噪声通过MATLAB中的wgn命令来生成。

5.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤二中，所述加速度传感器采用无线信号输出，工作频率下限≤0.5Hz，通过结构动力响应记录仪，采集所述加速度传感器在自然环境激励下检测的模态试验数据并记录保存。

6.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤三中，通过在MATLAB下编程得到时域数据的自功率谱、互功率谱、相干函数和互谱相位，识别模态频率和振型。

7.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤三中，N≤3。

8.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤四中，采用零阶优化或一阶优化算法进行模型修正。

9.根据权利要求1所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤七中，计算各所述单元中每个自由度的残余模态力向量的计算公式简化为：式中：R_i为结构的第i阶残余模态力向量；ω_di为损伤结构的第i阶自振频率；为损伤结构的第i阶振型，M表示***未损伤工况下的质量矩阵；K表示***未损伤工况下的刚度矩阵；ΔK表示结构损伤引起的整体刚度矩阵的变化量。

10.根据权利要求9所述的基于结构残余模态力的高桩码头基桩损伤诊断方法，其特征在于，所述步骤七中，定义|R_ji|为单元各自由度对应的残余模态力向量绝对值，其表达式为：式中i表示模态的阶数；j表示损伤结构的自由度序号；n为该结构***的自由度总数；当残余模态力向量绝对值中的元素绝对值值大于设定值时，判定结构存在损伤，并由自由度的序号对应的节点来定位结构损伤所处的位置。