一种古塔刚度中心的测定方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种古塔刚度中心的测定方法，包括对古塔进行分层并布置测点，对测点所获得的加速度信号进行预处理以及相应的计算后获得扭转振动数据，再对每个所述测点的扭转振动数据进行归一化处理获得每个所述测点的扭转振型系数，对每个所述测点前三阶扭转振型系数的模态参与率进行拟合，获得每个所述测点的振型组合系数，基于每组所述测点的振型组合系数，通过扭转振动相似比确定该组所述测点的实际偏心距，进而计算刚度中心。本发明专利技术基于偏心结构的运动理论，利用结构的扭转振动和偏心结构的运动理论确定古塔的偏心方向和偏心距，并进一步识别古塔的刚度中心。并进一步识别古塔的刚度中心。并进一步识别古塔的刚度中心。

【技术实现步骤摘要】
一种古塔刚度中心的测定方法


[0001]本专利技术实施例涉及古塔结构物理参数分析
，具体涉及一种古塔刚度中心的测定方法。

技术介绍

[0002]古塔结构发生损伤时，相应的物理特性会改变，从而引起结构物理参数的改变。其中刚度作为结构重要的物理特性，其改变尤其需要重点关注。古塔的平面布置多为正多边形，具有多个对称轴，使得平面刚度较为均匀，进而避免因为质量中心和刚度中心的不重合而引起结构的扭转，但是当古塔因为历史年代久远，构件残损严重时，其刚度将会减低，从而使其刚度中心和其质量中心不再重合，甚至出现越来越大的偏离，导致古塔可能存在倾斜和扭转变形等风险。
[0003]在现有技术中，由于刚度中心的影响因素较多，且没有统一的计算标准，因此对于建筑物，特别是复杂建筑物来说，如何确定其刚度中心，并依据刚度中心和质量中心之间的偏离程度来对建筑物进行保养和修复显得至关重要，特别是对于古建筑类的修复来说，这一点非常重要，它将决定具体的修复方式。在现有技术方案中如申请号为200920256532.6的塔式结构刚度的快速识别系统，又如申请号为201410318671.2的一种任意刚度偏心结构的减震方法等，均是直接利用了刚度中心这一概念，但是在复杂的建筑物中如何确定其刚度中心却没有涉及。而基于现有计算方式，刚度中心的测定精度取决于测点所在位置对刚度的影响程度有段关，而这一点在测量前是无法得知的，因此现有测定方式中所获得刚度中心仅仅是一个范围，而非准确的位置。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术实施例提供一种古塔刚度中心的测定方法，基于偏心结构的运动理论，通过在整体振动中分离识别出结构平动和扭转频率，并将扭转频率分离开，利用结构的扭转振动和偏心结构的运动理论确定古塔的偏心方向和偏心距，并进一步识别古塔的刚度中心。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的实施方式提供如下技术方案：
[0006]一种古塔刚度中心的测定方法，包括如下步骤：
[0007]S100、对古塔进行分层，并在每层以所述古塔的中心对称布置多组位于同一水平面上的测点，在每个测点上分别测定所述古塔水平方向上的加速度信号；
[0008]S200、对获得的每个加速度信号进行预处理，得到去除噪声干扰后的加速度数据；
[0009]S300、基于所述加速度数据识别每层古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态，并对应获得每层古塔每个所述测点的扭转振动数据；
[0010]S400、对每个所述测点的扭转振动数据进行归一化处理获得每个所述测点的扭转振型系数；
[0011]S500、对每个所述测点前三阶扭转振型系数的模态参与率进行拟合，获得每个所
述测点的振型组合系数，基于每组所述测点的振型组合系数，通过扭转振动相似比确定该组所述测点的实际偏心距；
[0012]S600、连接任意一组所述测点得到原始连接线，根据实际偏心距得到对应的该组所述测点的实际连接线，确定该组对应所述原始连接线和所述实际连接线的交点，自所述交点沿对应所述原始连接线相垂直的方向延伸形成垂线；
[0013]任意两个交点所对应的两条垂线相交的点即为古塔刚度中心，其中，所述模态参与率为反应每个测点不同阶模态响应程度的指标。
[0014]进一步地，步骤S100中在每个测点上分别测定所述古塔水平方向上加速度信号的具体方法包括：
[0015]S101、预估古塔的动力特性，并根据所述古塔的基频预估值设置采样频率，建立测试方案；
[0016]S102、根据所述测试方案确定测点的位置，并在每个所述测点上设置加速度传感器分别测定所述古塔水平方向上的加速度信号；
[0017]其中，所述基频预估值记为f，所述基频预估值f的计算公式如下：
[0018]其中，
[0019]T为所述古塔的自振周期预估值；
[0020]η1为所述古塔的弹性模量影响因素；
[0021]η2为所述古塔的开孔影响因素；
[0022]H为所述古塔的总高度；
[0023]D为所述古塔的塔底长度。
[0024]进一步地，对获得的每个加速度信号进行预处理的步骤具体包括顺次对得到的加速度信号进行数据趋势项的消除、振动曲线的平滑处理和期望采集信号段的提取。
[0025]进一步地，所述数据趋势项的消除采用最小二乘法进行消除；
[0026]所述振动曲线的平滑处理采用五点三次法进行处理；
[0027]所述期望采集信号段的提取采用频域带通滤波法提取。
[0028]进一步地，在步骤S300中采用协方差驱动随机子空间法识别每层所述古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态；
[0029]将水平振动模态和扭转振动模态通过低通带宽滤波器选择后，获得扭转振动数据。
[0030]进一步地，在步骤S500中获得每个所述测点的振型组合系数的具体方法为：
[0031]S501、选定期望模态区间，并通过安装在所述期望模态区间内的测点测定所述古塔水平方向上的加速度信号，并经过处理后获得古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态；
[0032]S502、基于古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态，通过频域的模态识别方法得到期望模态区间的固有频率，并通过频域带通滤波提取所述水平振动模态和扭转振动模态的模态响应数据；
[0033]S503、根据所述测点上传感器的布设位置和所述模态响应数据计算模态参与率；
[0034]S504、对所述模态参与率进行拟合，计算所述测点上传感器布置位置的振型组合
系数。
[0035]进一步地，设定U
j
(f)是第j个自由度的频域响应数据，是第i阶模态第j个自由度的频域响应数据，是第i阶模态第j个自由度的模态响应数据；
[0036]所述响应数据的提取方法具体为：
[0037]其中，1≤j≤n
d
；
[0038]其中，1≤i＝n
m
，
[0039]其中，1≤in
m
，1≤j≤n
d
。
[0040]其中，u
j
(t)是经过预处理之后的第j个自由度的加速度时程数据，n
d
是自由度数量，n
m
是期望模态的模态阶数；R
b
表示频域带通滤波的滤波范围，是第i阶模态下的固有频率，f为基频预估值。
[0041]进一步地，设定代表第i阶模态第j个自由度模态响应的均方根，是特定自由度和模态的模态响应的均方根与所有自由度和模态的模态响应的均方根之和之比，pMPR
i
表示第i阶模态所有自由度的模态参与配比；
[0042]所述模态参与率的计算方法具体为：
[0043]其中，i＝1,2,3
…
n
m
,j＝1,2,3
…
n
d
；
[0044]其中，i＝1,2,3
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：S100、对古塔进行分层，并在每层以所述古塔的中心对称布置多组位于同一水平面上的测点，在每个测点上分别测定所述古塔水平方向上的加速度信号；S200、对获得的每个加速度信号进行预处理，得到去除噪声干扰后的加速度数据；S300、基于所述加速度数据识别每层古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态，并对应获得每层古塔每个所述测点的扭转振动数据；S400、对每个所述测点的扭转振动数据进行归一化处理获得每个所述测点的扭转振型系数；S500、对每个所述测点前三阶扭转振型系数的模态参与率进行拟合，获得每个所述测点的振型组合系数，基于每组所述测点的振型组合系数，通过扭转振动相似比确定该组所述测点的实际偏心距；S600、连接任意一组所述测点得到原始连接线，根据实际偏心距得到对应的该组所述测点的实际连接线，确定该组对应所述原始连接线和所述实际连接线的交点，自所述交点沿对应所述原始连接线相垂直的方向延伸形成垂线；任意两个交点所对应的两条垂线相交的点即为古塔刚度中心，其中，所述模态参与率为反应每个测点不同阶模态响应程度的指标。2.根据权利要求1所述的一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，步骤S100中在每个测点上分别测定所述古塔水平方向上加速度信号的具体方法包括：S101、预估古塔的动力特性，并根据所述古塔的基频预估值设置采样频率，建立测试方案；S102、根据所述测试方案确定测点的位置，并在每个所述测点上设置加速度传感器分别测定所述古塔水平方向上的加速度信号；其中，所述基频预估值记为f，所述基频预估值f的计算公式如下：其中，T为所述古塔的自振周期预估值；η1为所述古塔的弹性模量影响因素；η2为所述古塔的开孔影响因素；H为所述古塔的总高度；D为所述古塔的塔底长度。3.根据权利要求1所述的一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，对获得的每个加速度信号进行预处理的步骤具体包括顺次对得到的加速度信号进行数据趋势项的消除、振动曲线的平滑处理和期望采集信号段的提取。4.根据权利要求3所述的一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，所述数据趋势项的消除采用最小二乘法进行消除；所述振动曲线的平滑处理采用五点三次法进行处理；所述期望采集信号段的提取采用频域带通滤波法提取。5.根据权利要求3所述的一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，在步骤S300中采用协方差驱动随机子空间法识别每层所述古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态；
将水平振动模态和扭转振动模态通过低通带宽滤波器选择后，获得扭转振动数据。6.根据权利要求5所述的一种古塔刚度中心的测定方法，其特征在于，在步骤S500中获得每个所述测点的振型组合系数的具体方法为：S501、选定期望模态区间，并通过安装在所述期望模态区间内的测点测定所述古塔水平方向上的加速度信号，并经过处理后获得古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态；S502、基于古塔前三阶的水平振动模态和扭转振动模态，通过频域的模态识别方法得到期望模态区间的固有频率，并通过频域带通滤波提取...

【专利技术属性】
技术研发人员：白凡，崔玥，杨娜，邸壮，张淑慧，贾宇婷，曹笑楠，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：