基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法，步骤如下：通过仿真软件有限元分析模拟结构各种工况的损伤，得到每种损伤情况下的固有频率与振型数据，根据振型数据构造振型差比矩阵作为指标构建损伤模式库；采集结构加速度数据，对信号进行响应功率谱比计算，利用响应功率谱比在极点位置的幅值和振型比的关系构造响应信号的振型差比矩阵，将其与损伤模式库中振型差比矩阵进行匹配，损伤模式库中与之最相近的工况视为该结构的损伤情况。该方法只需得到结构响应信号，不受激励的影响，没有识别模态参数或进行复杂计算，能实现快速识别损伤的目标。伤的目标。伤的目标。

【技术实现步骤摘要】
基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法


[0001]本专利技术涉及建筑结构安全性能评估
，具体涉及一种基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法。

技术介绍

[0002]地震后对灾区建筑结构进行快速安全性能评估意义重大，进行评估时，常见的振型和频率方法对损伤不敏感。对于传统的损伤检测方法，如：目测法、倾斜法及一些传统的动力指纹的检测方法大多数只能实现结构损伤的定位，不能有效估算结构损伤程度，且大部分方法与激励密切相关，需要特定的激励方式，在工程实践中很难实现，无法进行待测建筑结构安全性能的快速评估。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服灾后待测建筑结构人为激励困难、计算复杂及测量点繁多等问题，提供一种基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法，能够快速识别待测建筑结构损伤的位置与程度，不受外部激励影响，无需知晓待测建筑结构的基准数据，可以实现震后灾区建筑结构安全性能快速评估。
[0004]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0005]一种基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法，所述结构损伤快速识别方法包括以下步骤：
[0006]S1、构造振型差比，形式如下：
[0007][0008]式中：下标a、b、c、d分别代表待测建筑结构的不同层数；下标r表示待测建筑结构处于r阶固有频率；分别表示r阶固有频率下a、b、c、d层的振型值；
[0009]S2、对待测建筑结构进行仿真软件有限元分析，得到各种损伤工况的固有频率与振型数据并储存；
[0010]S3、对待测建筑结构各层的振型值进行振型差比计算，每种工况的每一阶固有频率分别得到一个振型差比矩阵，这些振型差比矩阵拥有相同的形式，其中在第k种工况的r阶固有频率下振型差比矩阵A
kr
形式为：
[0011][0012]式中：下标0、1、2、3、4
…
n
‑
3、n
‑
2、n
‑
1、n分别代表待测建筑结构的层数；分别表示r阶固有频率下0、1、2、3、4
…
n
‑
3、n
‑
2、n
‑
1、n层的振型值，的振型值为0；
[0013]将上述振型差比矩阵A
kr
的形式化简为
[0014][1:1,1:2,
…
,1:n,2:2,2:3,
…
,2:n,
…
,n:n][0015]式中：n:n代表矩阵中此列振型差比数据所相差的层数之比，第一个n代表此列振型差比数据的分子是相差n层之间的振型差值，第二个n代表此列振型差比数据的分母是相差n层之间的振型差值；
[0016]S4、组合第k种工况前r阶固有频率下的振型差比矩阵，得到能表征结构损伤状态的全局振型差比矩阵A(k)＝[A
k1 A
k2 A
k3
ꢀ…ꢀ
A
kr
]，其中A(k)表示第k种工况的全局振型差比矩阵，当损伤模式库共有q种损伤工况时，得到q种不同的全局振型差比矩阵，建立损伤模式库ψ＝[A(1) A(2) A(3)
ꢀ…ꢀ
A(q)]，并将损伤模式库中的指标以相应的损伤情况命名；
[0017]S5、在待测建筑结构不同层上至少安装两个加速度传感器，分别得到各个加速度传感器在随机激励下的响应信号z(t)；
[0018]S6、对响应信号z(t)进行响应功率谱比计算，其中响应功率谱比定义及响应功率谱比在极点与振型比的关系如下：
[0019]设z
i
(t)和z
j
(t)为加速度传感器在i、j两层的加速度数据，z
p
(t)为参考层p的加速度数据，则z
i
(t)和z
j
(t)关于z
p
(t)的响应功率谱比定义为功率谱G
ip
(s)和功率谱G
jp
(s)之比，即
[0020][0021]式中：w为角频率，
[0022]p为任意参考层，将参考层定为i则只需知道待测建筑结构两层的响应便可得到响应功率谱比为表述方便省略上标i，即
[0023]T
ij
(s)＝G
ii
(s)/G
ji
(s)
[0024]当s趋近于极点λ
r
时，也就是频率w接近待测建筑结构r阶固有频率w
r
时，满足下式
[0025][0026]式中：φ
ir
、φ
jr
分别表示r阶固有频率下i、j层的振型值；即
[0027][0028]其中：|T
ij
(w
r
)|为i、j两层响应信号在r阶固有频率w
r
下的响应功率谱比幅值；
[0029]S7、利用响应功率谱比在r阶固有频率w
r
下与振型比的关系构造由响应信号得到的振型差比，定义如下：
[0030][0031]其中：|T
ae
(w
r
)|、|T
be
(w
r
)|、|T
ce
(w
r
)|、|T
de
(w
r
)|分别为待测建筑结构的a和e两层、待测建筑结构的b和e两层、待测建筑结构的c和e两层、待测建筑结构的d和e两层响应信号在固有频率w
r
下的响应功率谱比幅值，e为待测建筑结构振型值不为0的任意一层，表示r阶固有频率下e层的振型值；
[0032]S8、构造由响应信号得到的振型差比矩阵，这些振型差比矩阵拥有相同的形式，其中在第k种工况的r阶固有频率w
r
下振型差比矩阵B
kr
的形式如下：
[0033][0034]式中：|T
0e
|、|T
1e
|、|T
2e
|、|T
3e
|、|T
4e
|、|T
(n
‑
3)e
|、|T
(n
‑
2)e
|、|T
(n
‑
1)e
|、|T
ne
|分别表示在r阶固有频率w
r
下待测建筑结构0、e两层、待测建筑结构1、e两层、待测建筑结构2、e两层、待测建筑结构3、e两层、待测建筑结构4、e两层、待测建筑结构n
‑
3、e两层、待测建筑结构n
‑
2、e两层、待测建筑结构n
‑
1、e两层、待测建筑结构n、e两层的响应功率谱比幅值，e为待测建筑结构振型值不为0的任意一层，|T
0e
|值为0；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振型差比矩阵与模式匹配的结构损伤快速识别方法，其特征在于，所述结构损伤快速识别方法包括以下步骤：S1、构造振型差比，形式如下：式中：下标a、b、c、d分别代表待测建筑结构的不同层数；下标r表示待测建筑结构处于r阶固有频率；分别表示r阶固有频率下a、b、c、d层的振型值；S2、对待测建筑结构进行仿真软件有限元分析，得到各种损伤工况的固有频率与振型数据并储存；S3、对待测建筑结构各层的振型值进行振型差比计算，每种工况的每一阶固有频率分别得到一个振型差比矩阵，这些振型差比矩阵拥有相同的形式，其中在第k种工况的r阶固有频率下振型差比矩阵A
kr
形式为：式中：下标0、1、2、3、4...n
‑
3、n
‑
2、n
‑
1、n分别代表待测建筑结构的层数；分别表示r阶固有频率下0、1、2、3、4...n
‑
3、n
‑
2、n
‑
1、n层的振型值，的振型值为0；将上述振型差比矩阵A
kr
的形式化简为[1：1，1：2，...，1：n，2：2，2：3，...，2：n，...，n：n]式中：n：n代表矩阵中此列振型差比数据所相差的层数之比，第一个n代表此列振型差比数据的分子是相差n层之间的振型差值，第二个n代表此列振型差比数据的分母是相差n层之间的振型差值；S4、组合第k种工况前r阶固有频率下的振型差比矩阵，得到能表征结构损伤状态的全局振型差比矩阵A(k)＝[A
k1 A
k2 A
k3 ... A
kr
]，其中A(k)表示第k种工况的全局振型差比矩阵，当损伤模式库共有q种损伤工况时，得到q种不同的全局振型差比矩阵，建立损伤模式库ψ＝[A(1) A(2) A(3) ... A(q)]，并将损伤模式库中的指标以相应的损伤情况命名；S5、在待测建筑结构不同层上至少安装两个加速度传感器，分别得到各个加速度传感
器在随机激励下的响应信号z(t)；S6、对响应信号z(t)进行响应功率谱比计算，其中响应功率谱比定义及响应功率谱比在极点与振型比的关系如下：设z
i
(t)和z
j
(t)为加速度传感器在i、j两层的加速度数据，z
p
(t)为参考层p的加速度数据，则z
i
(t)和z
j
(t)关于z
p
(t)的响应功率谱比定义为功率谱G
ip
(s)和功率谱G
jp
(s)之比，即式中：w为角频率，p为任意参考层，将参考层定为i则只需知道待测建筑结构两层的响应便可得到响应功率谱比为表述方便省略上标i，即T
ij
(s)＝G
ii
(s)/G
ji
(s)当s趋近于极点λ
r
时，也就是频率w接近待测建筑结构r阶固有频率w
r
时，满足下式式中：φ
ir
、φ
jr
分别表示r阶固有频率下i、j层的振型值；即其中：|T
ij
(w
r
)|为i、j两层响应信号在r阶固有频率w
r
下的响应功率谱比幅值；S7、利用响应功率谱比在r阶固有频率w
r
下与振型比的关系构造由响应信号得到的振型差比，定义如下：其中：|T

【专利技术属性】
技术研发人员：聂振华，向宏，沈清伟，马宏伟，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：