一种桁架杆件轴向刚度退化的识别与定位方法技术

本发明专利技术公开了一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法，包括如下步骤：长期监测和采集桁架结构各杆件的温度和轴力数据；以天为时间单位计算各杆件轴力与温度之间的线性斜率值；计算各杆件线性斜率值的差分值；计算每个杆件的线性斜率值受各杆件轴向柔度影响的偏导数值；建立各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程；求解每个杆件轴向柔度增量系数随天数变化的时间序列；利用时间序列的变化趋势对桁架杆件的轴向刚度进行退化识别与定位。本发明专利技术利用各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程，可计算得到各杆件轴向柔度增量系数的唯一解，从而实现对桁架杆件轴向刚度退化的精确识别和定位。

【技术实现步骤摘要】
一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法
本专利技术属于桁架结构健康监测和安全性能评估领域，具体来说，涉及一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法。
技术介绍
桁架结构中的杆件是二力杆，以轴向拉压为主。若二力杆的轴向刚度发生退化，会严重影响桁架结构的正常使用和安全功能。因此，对桁架结构中轴向刚度退化的二力杆进行及时识别和定位，具有重要意义。目前二力杆轴向刚度退化的识别和定位方法以人工检测为主，即超声波探伤、漏磁检测、射线检测等技术。此类检测方法不能对二力杆件的服役状态进行实时评估，在二力杆轴向刚度退化识别和定位上存在时滞效应。随着结构健康监测技术的发展，可以在桁架结构上安装传感器，从而对桁架结构中二力杆的服役状态进行实时监测和评估。然而，所采集的监测数据在某些情况下并不能反映桁架结构运营状态的全部信息，以及荷载响应监测数据易受到随机环境影响，使得大量监测数据无法得到有效利用。因此，本专利在充分利用桁架结构监测数据的基础上，通过计算各杆件轴力与温度之间线性斜率值的差分值，建立了各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程，可计算得到各杆件轴向柔度增量系数的唯一解，从而实现对桁架杆件轴向刚度退化的精确识别和定位。
技术实现思路
技术问题：为解决桁架结构杆件轴向刚度退化的难以识别和定位问题，本专利技术提出一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法。技术方案：本专利技术的一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法，包括如下步骤：步骤(1)：长期监测和采集桁架结构各杆件的温度和轴力数据：桁架结构中的杆件是二力杆，以轴向拉压为主。在桁架结构各杆件中间安装温度传感器和轴力传感器，对各杆件温度和轴力进行长期监测和数据采集，其中第i个杆件在第j天采集的温度数据记为Ti,j，第i个杆件在第j天采集的轴力数据记为Si,j，i＝1,2,...,I,j＝1,2,...,J，I为桁架中所有杆件的总个数，J为大于等于2的正整数；步骤(2)：以天为时间单位计算各杆件轴力与温度之间的线性斜率值：已有研究表明，轴向应变与温度之间的相关特性为线性关系，利用下式计算各杆件轴力与温度之间的线性斜率值：式中，ki,j表示第i个杆件在第j天轴力与温度之间的线性斜率值，Ni,j表示第i个杆件在第j天采集的温度数据或轴力数据的总个数，Ti,j,p表示Ti,j中的第p个值，Si,j,p表示Si,j中的第p个值，p＝1,2,...,Ni,j；步骤(3)：计算各杆件线性斜率值的差分值：利用下式计算第i个杆件线性斜率值的第m个差分值ci,m：ci,m＝ki,m+1-ki,1,其中m＝1,2,...,J-1式中，ki,m+1、ki,1分别表示第i个杆件在第m+1天、第1天轴力与温度之间的线性斜率值；步骤(4)：计算每个杆件的线性斜率值受各杆件轴向柔度影响的偏导数值：利用桁架结构设计图纸得到各杆件的材料参数和几何参数，借助LSDYNA、ANSYS等有限元分析软件建立桁架结构有限元模型，对所有杆件施加温度荷载F，通过有限元分析得到第i个杆件的轴力Ri，F与Ri存在一一对应关系；F与Ri之间的相关特性为线性关系，利用下式计算F与Ri之间的线性斜率值：式中，ρi表示F与Ri之间的线性斜率值，Fq表示F中的第q个值，Ri,q表示Ri中的第q个值，M表示F或Ri的数据总个数；将桁架结构有限元模型中第l个杆件的轴向柔度升至原来的g倍，l＝1,2,...,I，后对所有杆件施加温度荷载F，通过有限元分析得到第i个杆件的轴力F与之间的相关特性为线性关系，利用下式计算F与之间的线性斜率值：式中，表示F与之间的线性斜率值，表示中的第q个值；计算第i个杆件的线性斜率值受第l个杆件轴向柔度影响的偏导数值di,l：式中，Ll表示第l个杆件的长度，El表示第l个杆件的弹性模量，Al表示第l个杆件的横截面面积，通过桁架结构图纸设计参数得到Ll、El和Al的具体取值；步骤(5)：建立各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程：利用下式建立各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程：式中，δl,m表示第l个杆件的第m个轴向柔度增量系数，其中轴向柔度增量是第l个杆件在第m+1天的轴向柔度相对于在第m天的轴向柔度的增量，轴向柔度增量系数是轴向柔度增量与Ll/(ElAl)之间的比值，δl,m是待求解值；步骤(6)：求解每个杆件轴向柔度增量系数随天数变化的时间序列：将步骤(3)的所有ci,m值和步骤(4)的所有di,l值代入步骤(5)的公式共得到I×(J-1)个方程，待求解变量δl,m共计I×(J-1)个，(i＝1,2,...,I，m＝1,2,...,J-1)，因此联立所有方程得到δl,m的唯一解,δl,1,δl,2,...,δl,J-1组成第l个杆件轴向柔度增量系数随天数变化的时间序列；步骤(7)：利用时间序列的变化趋势对桁架杆件的轴向刚度进行退化识别与定位：若δl,1,δl,2,...,δl,J-1呈现出平稳趋势，则第l个桁架杆件的轴向刚度未出现退化趋势；若δl,1,δl,2,...,δl,J-1呈现出逐渐上升趋势，则第l个桁架杆件的轴向刚度已出现退化趋势。优选的，所述步骤(1)中温度数据和轴力数据的采样频率在[0.0017Hz,1Hz]之间。优选的，所述步骤(1)中温度数据和轴力数据的采样时间段在凌晨0时至4时之间，在这一时间段内杆件没有受到日照辐射且在夜间经过热传递后，杆件内部温度趋于均匀，从而温差影响可以忽略，有效避免了复杂温差分布对杆件应变的影响。优选的，所述步骤(4)中温度荷载F随时间的变化曲线为F＝Kt，t的单位为秒，其中斜率K的取值在[1,10]之间，加载时间长度在[6s,10s]之间。优选的，所述步骤(4)中g的取值在[1.0526,1.1765]之间。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：桁架结构杆件内部的温差分布十分复杂，在分析时很难忽略杆件温差对轴力的影响，而本专利技术步骤(1)中温度数据和轴力数据的采样时间段在凌晨0时至4时之间，在这一时间段内杆件没有受到日照辐射且在夜间经过热传递后，杆件内部温度趋于均匀，从而温差影响可以忽略，有效避免了复杂温差分布对杆件轴力的影响。此外，桁架结构的监测数据易受到随机环境影响，使得桁架结构杆件的轴向刚度在退化时难以精确识别和定位，而本专利在充分利用桁架结构监测数据的基础上，通过计算各杆件轴力与温度之间线性斜率值的差分值，建立了各杆件差分值与偏导数值、轴向柔度增量系数之间的全微分方程，可计算得到各杆件轴向柔度增量系数的唯一解，从而实现对桁架杆件轴向刚度退化的精确识别和定位。因此，本专利技术创新性提出的一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法，必将在桁架结构健康监测和安全性能评估领域得到广泛推广和应用。附图说明图1为本专利技术实施例中每个杆件轴向柔度增量系数的随天数变化的时间序列；图2为本专利技术实施例中某Z型桁架结构的设计图纸；图3为本专利技术实施例第1个杆件在第1天的温度数据T1,1；图4为本专利技术实施例第1个杆件在第1天的轴力数据S1,1；图5为本专利技术实施例中桁架结构杆件有限元模型。具体实施方式下面将参照附图，对本专利技术的技术方案进行详细的说明。步骤(1)：长期监测和采集桁架结构各杆件的温度和轴力数据：桁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)：长期监测和采集桁架结构各杆件的温度和轴力数据：在桁架结构各杆件中间安装温度传感器和力传感器，对各杆件温度和轴向力进行长期监测和数据采集，其中第i个杆件在第j天采集的温度数据记为Ti,j，第i个杆件在第j天采集的轴向力数据记为Si,j，i＝1,2,...,I,j＝1,2,...,J，I为桁架中所有杆件的总个数，J为大于等于2的正整数；步骤(2)：以天为时间单位计算各杆件轴向力与温度之间的线性斜率值：利用下式计算各杆件轴向力与温度之间的线性斜率值：

【技术特征摘要】
1.一种桁架杆件轴向刚度退化的精确识别与定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)：长期监测和采集桁架结构各杆件的温度和轴力数据：在桁架结构各杆件中间安装温度传感器和力传感器，对各杆件温度和轴向力进行长期监测和数据采集，其中第i个杆件在第j天采集的温度数据记为Ti,j，第i个杆件在第j天采集的轴向力数据记为Si,j，i＝1,2,...,I,j＝1,2,...,J，I为桁架中所有杆件的总个数，J为大于等于2的正整数；步骤(2)：以天为时间单位计算各杆件轴向力与温度之间的线性斜率值：利用下式计算各杆件轴向力与温度之间的线性斜率值：式中，ki,j表示第i个杆件在第j天轴向力与温度之间的线性斜率值，Ni,j表示第i个杆件在第j天采集的温度数据或轴力数据的总个数，Ti,j,p表示Ti,j中的第p个值，Si,j,p表示Si,j中的第p个值，p＝1,2,...,Ni,j；步骤(3)：计算各杆件线性斜率值的差分值：利用下式计算第i个杆件线性斜率值的第m个差分值ci,m：ci,m＝ki,m+1-ki,1,其中m＝1,2,...,J-1式中，ki,m+1、ki,1分别表示第i个杆件在第m+1天、第1天轴力与温度之间的线性斜率值；步骤(4)：计算每个杆件的线性斜率值受各杆件轴向柔度影响的偏导数值：根据各杆件的材料参数和几何参数，借助有限元分析软件建立桁架结构有限元模型，对所有杆件施加温度荷载F，通过有限元分析得到第i个杆件的轴力Ri；利用下式计算F与Ri之间的线性斜率值：式中，ρi表示F与Ri之间的线性斜率值，Fq表示F中的第q个值，Ri,q表示Ri中的第q个值，M表示F或Ri的数据总个数；将桁架结构有限元模型中第l个杆件的轴向柔度升至原来的g倍，l＝1,2,...,I，后对所有杆件施加温度荷载F，通过有限元分析得到第i个杆件的轴力利用下式计算F与之间的线性斜率值：

【专利技术属性】
技术研发人员：王高新，叶继红，东兆星，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32