CN108197603A - 考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，属于结构损伤识别领域，该方法利用谱峰值法从实测加速度响应信号中提取模态频率并组成序列，对其进行奇异谱分析得到趋势项、周期项和噪声项，去除趋势项，利用周期项和噪声项重构得到去除环境因素影响的新模态频率序列，利用结构损伤前后去除环境因素影响的模态频率构造欧氏距离作为样本，结合标准差控制图进行损伤预警。该方法有效消除了环境因素对结构损伤识别的影响，实现了环境因素影响下对结构损伤的准确识别和预警，可操作性强，提高了预警准确度。

Description

考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法

技术领域

本发明属于结构损伤识别领域，尤其涉及一种考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法。

背景技术

土木工程结构在使用过程中会产生不同程度的损伤，这些损伤会导致结构的安全性降低，如果不及时采取有效的修复或加固措施，最终会导致结构的破坏，危及人们的生命和财产安全，因此，有必要进行结构的损伤识别研究。

目前，基于振动响应分析的结构损伤识别方法是应用最为广泛的一种结构损伤识别方法，这种方法是通过测定结构损伤引起的动力响应特征参数变化，而实现对结构损伤的识别。然而，由于环境因素(温度、湿度等)的改变同样也会导致动力响应特征参数发生变化，有时甚至会淹没结构损伤引起的动力响应特征参数的变化，最终导致基于振动的结构损伤识别方法失效。

因而，如何消除环境因素对结构损伤识别的影响，是当前急需解决的一项技术问题。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，其利用谱峰值法从实测加速度响应信号中提取模态频率并组成序列，对其进行奇异谱分析得到趋势项、周期项和噪声项，去除趋势项，利用周期项和噪声项重构得到去除环境因素影响的新模态频率序列，利用结构损伤前后去除环境因素影响的模态频率构造欧氏距离作为样本，结合标准差控制图进行损伤预警，该方法有效消除了环境因素对结构损伤识别的影响。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，包括如下步骤：

步骤1：利用谱峰值法从实测加速度响应信号中提取模态频率ω；

步骤2：将不同时段提取的模态频率组成n维模态频率序列Y，所述模态频率序列Y表示为：

Y＝(ω₁，ω₂，…，ω_n) (1)

步骤3：对所述模态频率序列Y进行奇异谱分析，得：

Y＝Y^T+Y^P+Y^Z (2)

式(2)中，Y^T为趋势项，Y^P为周期项，Y^Z为噪声项；

去除趋势项Y^T，保留周期项Y^P和噪声项Y^Z，得到去除环境因素影响的模态频率序列Y'，所述去除环境因素影响的模态频率序列Y'表示为：

Y'＝Y^P+Y^Z (3)

步骤4：利用结构损伤前后去除环境因素影响的模态频率构造欧氏距离作为样本，计算样本的标准差S，将标准差S作为统计量，绘制标准差控制图进行结构损伤预警，具体步骤如下：

(1)定义未损伤状态下模态频率与损伤状态下模态频率的欧氏距离d为：

式(4)中，k＝(1,2,…,n)，为未损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'，为损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'；

(2)设欧氏距离d为正态总体样本X，X～N(μ,σ)，x为取自总体样本X的样本，标准差S作为样本统计量，按3σ准则，由《常规控制图》确定标准差控制图的中心线CL、上控制限UCL和下控制限LCL；

(3)对结构状态未知的样本，通过标准差控制图中样本点出界的个数来判别损伤，当连续100个点中有3个或者多于3个点超出上控制限UCL或下控制限LCL，则判定结构已损伤，发出损伤预警，否则判定结构未损伤。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明提供的考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，利用奇异谱分析消除了环境因素影响，能够实现环境因素影响下对结构损伤的准确识别和预警，可操作性强，提高了预警准确度。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，包括如下步骤：

步骤1：利用谱峰值法从实测加速度响应信号中提取模态频率ω；

步骤2：将不同时段提取的模态频率组成n维模态频率序列Y，所述模态频率序列Y表示为：

Y＝(ω₁，ω₂，…，ω_n) (1)

步骤3：对所述模态频率序列Y进行奇异谱分析，得：

Y＝Y^T+Y^P+Y^Z (2)

式(2)中，Y^T为趋势项，Y^P为周期项，Y^Z为噪声项；

去除趋势项Y^T，保留周期项Y^P和噪声项Y^Z，得到去除环境因素影响的模态频率序列Y'，所述去除环境因素影响的模态频率序列Y'表示为：

Y'＝Y^P+Y^Z (3)

步骤4：利用结构损伤前后去除环境因素影响的模态频率构造欧氏距离作为样本，计算样本的标准差S，将标准差S作为统计量，绘制标准差控制图进行结构损伤预警，具体步骤如下：

(1)定义未损伤状态下模态频率与损伤状态下模态频率的欧氏距离d为：

式(4)中，k＝(1,2,…,n)，为未损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'，为损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'；

(2)设欧氏距离d为正态总体样本X，X～N(μ,σ)，x为取自总体样本X的样本，标准差S作为样本统计量，按3σ准则，由《常规控制图》(GB/T 4091-2001)确定标准差控制图的中心线CL、上控制限UCL和下控制限LCL；

(3)对结构状态未知的样本，通过标准差控制图中样本点出界的个数来判别损伤，当连续100个点中有3个或者多于3个点超出上控制限UCL或下控制限LCL，则判定结构已损伤，发出损伤预警，否则判定结构未损伤。需要说明的是，采用3σ准则，取显著性水平为0.9973来控制置信水平的上下限，在结构正常状况下，连续100个点中有3个或多于3个点超出控制界限的概率为0.0026，是小概率事件，此概率值接近0.0027(1-0.9973＝0.0027)，与3σ相近，因此，当连续100个点中有3个或者多于3个点超出上控制限或下控制限时就可以判定结构已损伤。

Claims (1)

1.考虑环境因素影响的基于奇异谱分析的结构损伤预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：利用谱峰值法从实测加速度响应信号中提取模态频率ω；

步骤2：将不同时段提取的模态频率组成n维模态频率序列Y，所述模态频率序列Y表示为：

Y＝(ω₁，ω₂，…，ω_n) (1)

步骤3：对所述模态频率序列Y进行奇异谱分析，得：

Y＝Y^T+Y^P+Y^Z (2)

式(2)中，Y^T为趋势项，Y^P为周期项，Y^Z为噪声项；

去除趋势项Y^T，保留周期项Y^P和噪声项Y^Z，得到去除环境因素影响的模态频率序列Y'，所述去除环境因素影响的模态频率序列Y'表示为：

Y'＝Y^P+Y^Z (3)

步骤4：利用结构损伤前后去除环境因素影响的模态频率构造欧氏距离作为样本，计算样本的标准差S，将标准差S作为统计量，绘制标准差控制图进行结构损伤预警，具体步骤如下：

(1)定义未损伤状态下模态频率与损伤状态下模态频率的欧氏距离d为：

式(4)中，k＝(1,2,…,n)，为未损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'，为损伤状态下去除环境因素影响的模态频率序列Y'；

(2)设欧氏距离d为正态总体样本X，X～N(μ,σ)，x为取自总体样本X的样本，标准差S作为样本统计量，按3σ准则，由《常规控制图》确定标准差控制图的中心线CL、上控制限UCL和下控制限LCL；

(3)对结构状态未知的样本，通过标准差控制图中样本点出界的个数来判别损伤，当连续100个点中有3个或者多于3个点超出上控制限UCL或下控制限LCL，则判定结构已损伤，发出损伤预警，否则判定结构未损伤。