基于振型变化的损伤识别法
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2019/10/21
· 一些研究者利用振型和有限元模型的联合来定义 新的损伤指标。研究发现,模态应变能MSE(Modal st rain energy)在进行结构行为的识别和损伤定位 方面非常重要。
二·基本方法和基本原理
• 模态置信度判据法 • 位移模态法 • 模态正交法 • 曲率模态法 • 应变模态法
这些方法均需要建立结构初始正常状态时的有限元模 型作为识别基准,然后用当前结构振型实测数据修正结 构模型,通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别。
[3]万小朋, 李小聪, 鲍 凯, 赵美英利用振型变化进行结构损 伤诊断的研究；
[4]姚中伟，全强，刘立军 结构损伤识别理论的研究现状与 进展；
[5]欧进萍. 重大工程结构的累积损伤与安全评定; [6]王术新,姜哲 基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进 展
谢谢黄老师与诸位同学！
SUCCESS
THANK YOU
模态正交法
• 利用模态的正交条件对损伤进行识别,当结构无损 伤时,模态满足正交条件;当结构发生损伤时,则模 态不满足正交条件.
• 由于该方法要用到模型矩阵(如刚度矩阵、质量矩 阵) ,这就涉及到测量模态的插值扩阶或模型减缩 问题.
曲率模态法
曲率模态法
• 曲率模态有两种测量方法：方法一是通过获得结 构的应变反应直接换算成曲率关系，继而寻找其 曲率模态；方法二是首先得到结构的位移模态， 通过差分的方法获取其曲率模态。
基于振型变化的 损伤识别方法
耿晓
一·国内外研究现状
结构振型包含更多的损伤信息,振型变化的损伤识别方法有 以位移类参数(位移、位移模态、柔度矩阵等) 和以应变类参 数(应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法。
. 国内外很多学者都致力于利用测试的振型数据进行 损伤定位。在早期一般是利用结构损伤前后的振型 进行直接比较来实现损伤定位。 · 1986 年West提出通过比较试验模态和计算模态 的模态保证准则MAC(Modal Assurance Criterion) 来识别结构损伤。 · 1988 年Lieven 和Ewins 在MAC 准则基础上又发 展了一步,叫做坐标模态保证准则COMAC。
模态置信度判据法（MAC法）
• 由结构动力学原理可知，结构完备的模态向量是 一组正交向量。但在实际工程中，由于测量自由 度小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测 量噪声的影响，测得的模态向量已不能保证其正 交性。在极端的情况下甚至会由于向量间的空间 交角过小而丢失重要的模态。因此，在选择测点 时有必要使测量的模态向量保持较大的空间交角， 从而尽可能的把原来模型的特性保留下来。
图2 模型桥图片
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差 图4 加载工况图
图5 荷载步4~6振型曲率差 图6 荷载步2、5振型曲率差
图7 荷载步1~10频率变化
实例小结
• 该试验中，振型曲率差对结构损伤比较敏感，可 以通过振型曲率差与实际损伤的关系，由测得的 振型曲率差反推结构损伤情况。
• 式中: Dsm 为应变模态振型差; Φ0 、Φ分别为结构 的应变模态振型和有损伤结构的应变模态振型.
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2019/10/21
三·实例分析
• 模型桥试验
本试验的模型桥是轻质混凝土预应力连续刚构桥， 其原型为云南安宁至楚雄高速公路14 号达连坝段。 模型桥按照1：4 的相似比，并依据抗弯刚度相等的 原则等效成T 型截面，其各跨跨度为4.75＋8.75＋ 4.75＝18.25m（如图1 所示），缩尺以后的模型桥 通过施加配重使其与原桥在自重下产生的应力相等， 图2 为模型桥施加配重以后的照片。将模型桥的该 状态作为桥梁完好状态，即损伤识别的原始比对状 态。
• 得到曲率模态，继而评估梁的截面抗弯刚度变化, 从而判断损伤情况 .
• 该方法的不足之处是需要非常邻近的测点,以便利 用中心差分法求取曲率模态. 这样就要求足够密的 测点,或者要求精度非常好的插值扩阶模态,否则将 增大曲率模态振型的误差.
应变模态法wenku.baidu.com
• 位移模态反映结构的固有振型,应变与位移呈一阶 导数关系,由于应变模态振型在局部损伤位置有明 显变化 ,可以将损伤前后应变模态振型差的绝对值 作为结构损伤的识别指标,记为 Dsm = | Φ0 - Φ| (4)
一·国内外研究现状
· 1991 年Pandey 提出了一个新的参数,即“曲率 模态”的概念。通过对比完好结构和损伤结构的曲 率模态的不同来识别损伤位置。
· 后来又有学者提出了“应变模态”的概念并通过 对比完好结构和损伤结构的应变模态的不同来识别 损伤位置,并且得出了应变模态比位移模态对局部损 伤更为敏感的结论。
• 启示：各种损伤识别方法都有其优缺点，对基于 振型的损伤识别方法来说，不同结构对损伤指标 敏感程度不同，因此，实际运用中要合理选择方 法。对各种结构何种方法比较合理，怎样才能更 合理，这也是需要我们探索的地方之一。
参考文献：
[1] 韩西，张伟 基于动力参数的桥梁工程结构损伤识别分析 ；
[2]黄盛楠，刘英奎，陆新征，叶列平 大型连续刚构桥梁模 型试验及损伤评估；
• 其原理是:当损伤未发生时,模态置信度判据为1 ;当 损伤发生,由于振型的变化,模态置信度判据不等于 1.
模态置信度判据法（MAC法）
位移模态法
• 以损伤前后振型的差值作为损伤定位参数. 当发生 损伤时,受到影响的自由度上的振型差值在损伤区 域就会出现比较大的值,可以利用振型差值来识别 损伤的位置 . 损伤前后位移模态差为: E =Φ0 — Φ (2)
· 一些研究者利用振型和有限元模型的联合来定义 新的损伤指标。研究发现,模态应变能MSE(Modal st rain energy)在进行结构行为的识别和损伤定位 方面非常重要。
二·基本方法和基本原理
• 模态置信度判据法 • 位移模态法 • 模态正交法 • 曲率模态法 • 应变模态法
这些方法均需要建立结构初始正常状态时的有限元模 型作为识别基准,然后用当前结构振型实测数据修正结 构模型,通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别。
[3]万小朋, 李小聪, 鲍 凯, 赵美英利用振型变化进行结构损 伤诊断的研究；
[4]姚中伟，全强，刘立军 结构损伤识别理论的研究现状与 进展；
[5]欧进萍. 重大工程结构的累积损伤与安全评定; [6]王术新,姜哲 基于结构振动损伤识别技术的研究现状及进 展
谢谢黄老师与诸位同学！
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模态正交法
• 利用模态的正交条件对损伤进行识别,当结构无损 伤时,模态满足正交条件;当结构发生损伤时,则模 态不满足正交条件.
• 由于该方法要用到模型矩阵(如刚度矩阵、质量矩 阵) ,这就涉及到测量模态的插值扩阶或模型减缩 问题.
曲率模态法
曲率模态法
• 曲率模态有两种测量方法：方法一是通过获得结 构的应变反应直接换算成曲率关系，继而寻找其 曲率模态；方法二是首先得到结构的位移模态， 通过差分的方法获取其曲率模态。
基于振型变化的 损伤识别方法
耿晓
一·国内外研究现状
结构振型包含更多的损伤信息,振型变化的损伤识别方法有 以位移类参数(位移、位移模态、柔度矩阵等) 和以应变类参 数(应变、应变模态、曲率模态等) 为基础的损伤定位方法。
. 国内外很多学者都致力于利用测试的振型数据进行 损伤定位。在早期一般是利用结构损伤前后的振型 进行直接比较来实现损伤定位。 · 1986 年West提出通过比较试验模态和计算模态 的模态保证准则MAC(Modal Assurance Criterion) 来识别结构损伤。 · 1988 年Lieven 和Ewins 在MAC 准则基础上又发 展了一步,叫做坐标模态保证准则COMAC。
模态置信度判据法（MAC法）
• 由结构动力学原理可知，结构完备的模态向量是 一组正交向量。但在实际工程中，由于测量自由 度小于结构模型的自由度并且受到测试精度和测 量噪声的影响，测得的模态向量已不能保证其正 交性。在极端的情况下甚至会由于向量间的空间 交角过小而丢失重要的模态。因此，在选择测点 时有必要使测量的模态向量保持较大的空间交角， 从而尽可能的把原来模型的特性保留下来。
图2 模型桥图片
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差
图3 荷载步1、2桥梁振型曲率差 图4 加载工况图
图5 荷载步4~6振型曲率差 图6 荷载步2、5振型曲率差
图7 荷载步1~10频率变化
实例小结
• 该试验中，振型曲率差对结构损伤比较敏感，可 以通过振型曲率差与实际损伤的关系，由测得的 振型曲率差反推结构损伤情况。
• 式中: Dsm 为应变模态振型差; Φ0 、Φ分别为结构 的应变模态振型和有损伤结构的应变模态振型.
SUCCESS
THANK YOU
2019/10/21
三·实例分析
• 模型桥试验
本试验的模型桥是轻质混凝土预应力连续刚构桥， 其原型为云南安宁至楚雄高速公路14 号达连坝段。 模型桥按照1：4 的相似比，并依据抗弯刚度相等的 原则等效成T 型截面，其各跨跨度为4.75＋8.75＋ 4.75＝18.25m（如图1 所示），缩尺以后的模型桥 通过施加配重使其与原桥在自重下产生的应力相等， 图2 为模型桥施加配重以后的照片。将模型桥的该 状态作为桥梁完好状态，即损伤识别的原始比对状 态。
• 得到曲率模态，继而评估梁的截面抗弯刚度变化, 从而判断损伤情况 .
• 该方法的不足之处是需要非常邻近的测点,以便利 用中心差分法求取曲率模态. 这样就要求足够密的 测点,或者要求精度非常好的插值扩阶模态,否则将 增大曲率模态振型的误差.
应变模态法wenku.baidu.com
• 位移模态反映结构的固有振型,应变与位移呈一阶 导数关系,由于应变模态振型在局部损伤位置有明 显变化 ,可以将损伤前后应变模态振型差的绝对值 作为结构损伤的识别指标,记为 Dsm = | Φ0 - Φ| (4)
一·国内外研究现状
· 1991 年Pandey 提出了一个新的参数,即“曲率 模态”的概念。通过对比完好结构和损伤结构的曲 率模态的不同来识别损伤位置。
· 后来又有学者提出了“应变模态”的概念并通过 对比完好结构和损伤结构的应变模态的不同来识别 损伤位置,并且得出了应变模态比位移模态对局部损 伤更为敏感的结论。
• 启示：各种损伤识别方法都有其优缺点，对基于 振型的损伤识别方法来说，不同结构对损伤指标 敏感程度不同，因此，实际运用中要合理选择方 法。对各种结构何种方法比较合理，怎样才能更 合理，这也是需要我们探索的地方之一。
参考文献：
[1] 韩西，张伟 基于动力参数的桥梁工程结构损伤识别分析 ；
[2]黄盛楠，刘英奎，陆新征，叶列平 大型连续刚构桥梁模 型试验及损伤评估；
• 其原理是:当损伤未发生时,模态置信度判据为1 ;当 损伤发生,由于振型的变化,模态置信度判据不等于 1.
模态置信度判据法（MAC法）
位移模态法
• 以损伤前后振型的差值作为损伤定位参数. 当发生 损伤时,受到影响的自由度上的振型差值在损伤区 域就会出现比较大的值,可以利用振型差值来识别 损伤的位置 . 损伤前后位移模态差为: E =Φ0 — Φ (2)