合肥工业大学 230009
摘要：对于结构健康监测中如何利用在线监测数据进行健康诊断的问题，由于结构频率具有容易测量且数据比较精确的优势，基于频域分析，针对第一阶段IASC -ASCE Benchmark 结构做了频率变化的研究，由此来判断其损伤情况。论文对在环境激励下Benchmark 结构的五种工况进行了分析，损伤识别的结果显示, 此方法能较高精度地识别 benchmark 模型的各种损伤情形。
关键词：损伤识别; Benchmark结构;环境激励; 模态分析;频率变化
1 引言
结构健康监测（SHM）系统通过确定结构内损伤或劣化的严重程度和位置来监测结构的健康状态。该方法基于结构振动响应的实测数据, 通过系统参数识别技术获得结构模态参数的变化, 建立结构物理参数与模态参数变化之间的数学关系, 从而判定结构是否出现损伤以及损伤发生的位置及程度。 近十几年来, 试验模态分析技术的迅速发展为结构无损评估方法中获得准确的模态参数提供了强有力的保障, 直接推动了基于振动特性的结构损伤诊断方法的发展及应用。
本文采用模态分析技术对由国际结构控制协会与美国土木工程学会(IASC-ASCE) 提出的健康监测第一阶段Benchmark结构环境激励试验进行研究，得出了在五种不同工况下的损伤情况下的结构频率变化，对于实际工程中判断结构的损伤情况以及结构损伤位置有很大帮助。
2 选用的模型以及其参数
国际结构控制协会与美国土木工程协会 ( IASC -ASCE) 于 1999 年联合成立结构健康监测工作组，并提出了 Benchmark 结构模型作为国际损伤诊断研究的公共平台。Benchmark 结构为四层双跨钢框架四分之一比例模型结构。其平面尺寸为2.5mx2.5 m，高度为3.6 m，如图1所示。构件为300 W级热轧钢，屈服应力为300MPa。柱的方向都是朝X方向（即，围绕y轴）。每层都有一个楼板间，第一层有四块800公斤的板，第二层和第三层各有四块600公斤的板，第四层有四块400 kg的板，为对称结构。基于此结构生成了有限元模型来生成模拟响应数据。其模型为12自由度（DOF）剪切建筑对称模型，该模型约束除两个水平平移和一个旋转孔外的所有运动。在此模型中，楼板（楼板梁和楼板）作为刚体移动，在x和y方向上平移，并围绕中心柱旋转。因此，每层有3个自由度，共12个自由度。柱模型为线弹性Euler-bernoulli梁，支撑模型为轴向二力杆，此外模型中撑木是没有刚度的杆。其结构构件的特性参数如表1所示。
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图1 IASC - ASCE Benchmark 结构模型
3 研究的内容
实际工程中, 健康监测系统所采集的数据均为结构在环境振动、运营荷载下的响应信号, 因此本文针对环境激励下Benchmark结构试验进行损伤识别研究。本文主要选择了Benchmark 结构模型的五种工况进行分析，①工况1：完好结构；②工况2：去掉第一层的所有支撑，即第一层支撑全部损坏；③工况3：去掉第一层和第三层支撑，即第一层和第三层支撑全部损坏；④第一层支撑中部分没有刚度（在图中用椭圆标出）；⑤第一层中的一个支撑（在图中用椭圆标出）损失了其三分之一的刚度。各种工况如下图3所示。可以明显看出，工况2的损伤比工况3损伤小。试验中, 在结构 1-4 层各布置 了 4个加速度传感器，每层x，y方向上各两个，分别测得东西方向以及南北方向的震动，传感器的编号、位置及测试方向如表2和图2所示。
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6 结语
本文采用频域分析对Benchmark 结构环境激励试验进行分析,在模型识别系统参数的基础上对Benchmark 结构的五种不同工况下的频率进行了分析，分析结果表明,在不同工况下的Benchmark结构频率以及振型都有很大不同，可以对此分析得到结构损伤部位以及损伤情况，从而实现结构的损伤识别。可以通过在窄带物联网或者其他线上检测手段对结构检测数据进行实时采集，然后进行分析结构损伤情况，可以用于大型结构的健康监测，做到损伤早发现、早维修，使事故防范于未然。
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基金项目
“合肥工业大学2019年省级大学生创新创业训练计划项目资助“”，项目编号：S20191035911。