[发明专利]基于柔度变化率与模式匹配的震后结构损伤快速识别方法

说明书

本发明公开了一种基于柔度变化率与模式匹配的震后结构损伤快速识别方法，步骤如下：建立结构的有限元模型，并进行各种损伤工况的模态分析；计算损伤的柔度变化率形成损伤模式库；对结构动力响应进行模态识别，并计算其匹配向量形成测试集；将测试集中的匹配向量依次与模式库进行相似度度量，根据匹配结果判断损伤位置和损伤程度。本发明的方法计算量小、计算速度快；可剔除激励的影响，使得建立的损伤模式库不受外界环境因素的影响；能高效快速地识别出损伤位置和损伤程度，弥补了传统基于柔度矩阵识别结构损伤方法不能量化损伤程度的不足。因此，本发明的方法适用于结构震后损伤与安全评估，对震后的紧急救援和应急决策具有重大的意义。

技术领域

本发明涉及建筑结构安全性能评估技术领域，具体涉及一种基于柔度变化率与模式匹配的震后结构损伤快速识别方法。

背景技术

地震的发生往往导致巨大的人员伤亡和经济损失，对社会造成的危害十分巨大。经过几十年的发展，我国地震工作逐步形成以“地震监测预报、地震灾害防御、地震紧急救援”为主要内容的三大工作体系。对地震紧急救援而言，震后损伤识别速度的快慢是首要的考虑因素，其目的不在于对绝对精准度的追求，而在于精准度在可接受的范围内实现损伤快速识别预评估。震后结构损伤快速识别方法的研究为震后的紧急救援和应急决策提供科学的理论依据，对提高政府对地震的应急反应能力和震后应急工作的效率，最大限度地减少地震灾害造成的人员伤亡和损失具有重大的意义。如何实现快速损伤识别是结构震后应急和救援所研究的一个主要问题。

目前，在结构损伤检测领域采用模式匹配方法的研究较少，关于模式匹配方法的研究现状仍然存在以下几个问题：①匹配向量与激励因素有关时，无法建立模式库；②采用时域范畴的损伤特征参数时，计算量非常大；③以应变作特征参数时，需要大量的传感器。而且传统基于柔度矩阵识别结构损伤的方法可以识别损伤的有无，但是不能对损伤程度进行量化。

发明内容

本发明的目的在于克服将模式匹配方法应用到结构损伤检测领域时存在的缺点，并且弥补了传统基于柔度的损伤检测方法无法对损伤程度进行量化的不足，提供一种基于柔度变化率与模式匹配的震后结构损伤快速识别方法，实现对结构震后的损伤快速识别。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于柔度变化率与模式匹配的震后结构损伤快速识别方法，所述震后结构损伤快速识别方法包括下列步骤：

S1、利用有限元软件，对识别对象结构建立结构的有限元模型；由损伤位置和损伤程度构成的排列组合的损伤情况形成损伤模式库中的所有损伤工况，并对所有损伤工况进行模态分析，得到各种损伤工况下识别对象结构的模态振型、固有频率；

S2、计算各种损伤工况的柔度变化率，建立带损伤位置和损伤程度标签的以柔度变化率为参数的损伤模式库，柔度变化率的计算过程如下：

式中，F为柔度矩阵，f_ij的物理意义是在位置j测量点施加单位集中力时，在位置i测量点产生的位移，r为模态阶数,ω_r为识别对象结构第r阶的固有频率，分别表示位置i测量点的第r阶模态振型值与位置j测量点的第r阶模态振型值的乘积，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N；

计算无损和损伤工况的柔度矩阵变化量ΔF，计算公式如下：

ΔF＝F_d-F_u

式中，F_u、F_d分别为无损和损伤工况的柔度矩阵；

通过柔度矩阵对角线元素计算柔度矩阵变化率δF，计算公式如下：