[发明专利]基于脉动测试的桁架结构损伤评估方法

说明书

本发明公开了一种基于脉动测试的桁架结构损伤评估方法，涉及结构健康监测领域。本发明方法首先对桁架结构的所有杆件和杆件的所有端节点的自由度进行编号，并建立桁架结构的有限元模型，获得刚度矩阵和质量矩阵；其次在桁架结构的各个节点上安装无线加速度传感器，记录结构脉动各阶特征值及相应的振型；对各阶振型进行归一化运算；计算桁架结构的虚拟位移矩阵和损伤指标向量以及损伤程度因子；最后根据损伤指标向量评估损伤杆件位置，根据损伤程度因子评估损伤程度。使用本发明方法进行桁架结构损伤评估，无须专门施加人工激振外荷载，并且能节省损伤评估所需要花费的时间和成本。

技术领域

本发明涉及结构健康监测领域，更具体的说是涉及一种基于脉动测试的桁架结构损伤评估方法。

背景技术

桁架结构在土木、机械、航空和海洋等工程领域中广泛使用，如钢桁架屋盖、钢桁架桥梁、塔吊、起重机臂、海洋平台等。由于环境腐蚀、材料疲劳、连接件松动等因素必然导致结构损伤，对结构中的损伤状况作出及时准确的识别，才能采取相应的加固维修方案，避免发生重大的安全事故。近年来，已提出一些用于桁架结构的损伤评估方法。

专利CN102495134B公开了一种基于附加质量的桁架结构损伤定位方法，利用附加质量后杆件频率响应峰值位置的比较来判断杆件损伤的位置，虽然成本低廉、操作简单，但是往往需要专门施加外荷载来使得结构发生振动，这对于大型的桁架结构而言不现实且不经济，所以迫切需要一种利用结构脉动测试数据即可进行损伤评估的方法，从而不需要另外再施加人工激振荷载，能节省损伤评估所需要花费的时间和成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于脉动测试的桁架结构损伤评估方法，以解决背景技术中提出的问题，不需要专门施加人工激振外荷载，只利用结构脉动测试数据即可进行损伤评估。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于脉动测试的桁架结构损伤评估方法，具体步骤包括如下：

对桁架结构的所有杆件进行编号，同时对杆件的所有端节点的自由度进行编号，列出杆件编号和自由度编号关系表，并利用有限元软件建立桁架结构的有限元模型，从而获得桁架结构的刚度矩阵K和质量矩阵M；

在桁架结构的各个节点上布置无线加速度传感器，利用无线数据采集仪器对桁架结构进行脉动测试，其中无线加速度传感器和数据采集仪器均可以从市场购买得到，记录脉动测试所得的结构脉动各阶特征值及相应的振型；

对所述振型进行归一化运算，获得归一化振型；

利用所述归一化振型计算所述桁架结构的虚拟位移矩阵；

利用所述虚拟位移矩阵计算损伤指标子向量，对所述损伤指标子向量求和得到损伤指标向量；

根据所述损伤指标向量来评估损伤杆件位置；

根据损伤程度因子的大小来评估杆件损伤的严重程度；

优选的，所述归一化振型表达式为：，指振型的转置。

优选的，所述虚拟位移矩阵的计算公式为：

，指归一化振型的转置。

优选的，所述虚拟位移矩阵中的第列向量为，即。

优选的，所述损伤指标子向量的获取步骤为：

计算伪节点力向量，其计算式为：；

令伪节点力向量中第个元素置零，并对所得的向量中的每个元素分别取绝对值即得所述损伤指标子向量。

优选的，所述评估损伤杆件位置的具体步骤为：

确定所述损伤指标向量中绝对值大的自由度所对应的编号；

根据所述杆件编号和自由度编号关系表来确定发生损伤的杆件编号，进而确定损伤杆件的位置。