附录B 钢结构的动力检测B,0 1。钢结构动力特性和动力响应是两种不同性质的数据。对钢结构进行动力检测 可分为动力特性检测或动力响应检测,必要时可包括两者.应根据不同目的要求。确定相应的检测目标,钢结构动力检测的目的如下 1.通过动力特性检测.一般情况下可获取结构自振频率、振型 模态阻尼比、当有特殊要求时.可获取模态刚度。模态质量等结构动力性能参数.可为结构计算模型修正提供依据，为结构损伤判别提供参考依据，2。通过动力响应检测 获取结构动力输入处和响应最大处的位移,速度、加速度 为理论分析和采取减振加固措施提供依据,由于受灾损伤 老化等诸多因素导致钢结构的退化或损伤.必将在结构的静力响应和动力响应。如结构位移，结构频率。结构振动模态等、中表现出来。因此、检测结构的动力特性和动力响应.获取结构的动力参数数据、通过有效的识别方法捕捉结构响应的变化.确定结构的力学性能变化、进而可推测结构是否存在退化损伤以及更进一步的结构退化损伤信息，并给出结构安全状态评估.另外，当钢结构遇到某种动外力如机械动力、车辆经过的动力.大风等时,某些部位可能会有位移,速度或加速度过大的现象发生,这些现象可能对结构的安全产生影响或引起结构内部人员身体不适。为了解释.评估这种现象对结构安全或人员身体不适的影响程度，以及为了进一步采取减轻这种影响的措施,需要通过动力检测提供可靠的数据依据。B。0、2.由于动力检测代价昂贵.因此,本条仅列出常见需要进行动力检测的几类结构 实际需要时.可根据要求另行增加或细化，B、0。3 对于大型复杂结构 单点激励显得能量不够.且在传递过程中损失较大、因此、距激励较远的地方，响应信号较弱,信噪比较小，若增大激励力,则容易产生局部效应过大,造成非线性现象，另外,单点激励时、若激励点正好处于某阶模态的节点位置,对该阶模态来说.系统将成为不可控和不可观的，因此 将无法辨识该阶模态、就会发生漏失模态的现象、对于单输入多输出系统 模态参数辨识一般只利用频响函数矩阵中的一列数据。因此。能提供的信息量有限,影响辨识精度,对模态密集的情况 辨识能力较弱,在下列情况下必须进行多点激励.1。重频，密频 2,结构巨大，需要大的能量激励.3，一激励点为某阶感兴趣模态的节点，B、0 4，B。0、7,结构动力性能检测应符合下列要求,1，设备要求,动力检测试验设备一般包括激振设备 振动控制设备,测量和记录仪器 数据处理设备，体积小 重量轻的激振器可以减小对被测系统的影响、测试量程应合适,若量程设置过大、测试信号过低.信噪比将降低 反之 若量程设置过小、则容易过载、仪器的灵敏度，分辨率若不满足测试要求 将导致错误的测试结果甚至测试无法实施、2、测试要求 试验结构的模型可参考国家现行标准的相关要求制作,如果激振点正好选在结构某阶模态的节点上。则该阶模态不能被激发,即使激振点在节点附近 该阶模态的振动信号也很弱，如果激振点正好落在某阶模态的峰点附近，则激振力能有效激起该阶模态、但由于峰点的振动幅度最大 可能超出测量仪器量程范围.激振点的选取有两种方法.根据经验确定，即如果结构有自由端,激振点宜选在自由端附近、如果结构对称。不宜选在结构对称面上、根据试验确定,即在通过经验初步确定的基础上。可选定几个激振点进行激振试验、测量若干个频响函数,观察由哪几个激振点激励所得到的频响函数不丢失重要模态,则此点为最佳激振点。3.数据处理要求 时域法可以克服频域法的一些缺陷。特别是对大型复杂结构受到风、浪及大地脉动作用时、在工作中承受的荷载很难测量.但响应信号很容易测得.直接利用响应的时域信号进行参数识别无疑是很有意义的,时域法是将振动信号直接进行识别，最基本，最常用的有Ibrahim时域法.最小二乘复指数法,LSCE法。多参考点复指数法 PRCE法。特征系统实现法,ERA法 和时序分析法等、时域法的主要优点是可以只使用实测响应信号.无须傅立叶变换、因而可以利用时域方法对连续工作的设备例如发电机组,大型化肥设备及化工装置等进行。在线.参数识别，由于时域法参数识别技术只需要响应的时域信号.从而减少了激励设备。大大节省了测试时间与费用.这些都是频域法所不具有的优点,当不使用脉冲响应信号时、缺点也很明显。由于不使用平均技术,因而分析信号中包含噪声干扰.所识别的模态中除系统模态外还包括噪声模态.如何甄别和剔除噪声模态.一直是时域法研究中的重要课题，频域法可分为单模态识别法，多模态识别法、分区模态综合法。频域总体识别法等、对小阻尼且各阶模态耦合较小的系统 用单模态识别法可达到满意的识别精度,而对模态耦合较大的系统 必须用多模态识别法,频域法的最大优点是利用频域平均技术,最大限度地抑制噪声影响 使模态定阶问题容易解决,但也存在以下不足，功率泄露。频率混叠及离线分析等.在识别振动模态参数时,虽然傅立叶变换能将信号的时域特征和频域特征联系起来，分别从信号的时域和频域观察,但由于信号的时域波形中不包含任何频域信息.所以，不能把二者有机结合,另外，傅立叶谱是信号的统计特性，从其表达式可看出 它是整个时间域内的积分,没有局部分析信号的功能.完全不具备时域信息 这样在信号分析中就面临时域和频域的局部化矛盾.由于对非线性参数需用迭代法识别。因而分析周期长。又由于必须使用激励信号，一般需增加复杂的激振设备,特别是对大型结构，尽管可采用多点激励技术.但有些情况下仍难以实现有效激振.无法测得有效激励和响应信号、大型海工结构。超大建筑及超大运输等、往往只能得到其自然力或工作动力激励下的响应信号 小波分析能将时域和频域结合起来描述观察信号的时频联合特征、构成信号的时频谱.也称为时频局部化方法。特别适用于非稳定信号,小波分析是傅立叶分析方法的突破性进展，是一种新的时变信号时频两维分析方法.它与短时傅立叶变换的最大不同之处是其分析精度可变.它是一种加时变窗进行分析的方法、在时频相平面的高频段具有高的时间分辨率和低的频率分辨率，而在低频段具有低的时间分辨率和高的频率分辨率，这正符合低频信号变换缓慢而高频信号变化迅速的特点.小波变换比短时傅立叶变换具有更好的时频窗口特性 克服了傅立叶变换中时频分辨率恒定的弱点,因此 它具有能在足够时间分辨率的前提下分析信号的短时高频成分。又能在很好的频率分辨率下估计信号中的低频的优点.但小波分析源于傅立叶分析,小波函数的存在性证明依赖于傅立叶分析,因此 它不可能完全取代傅立叶分析,本质上,小波变换仍是一种线性变换 不能用于处理非线性问题.此外.小波变换分析的分辨率仍有一定的极限、这使得变换结果在某些场合下失去了物理意义、HHT分析与小波分析等其他方法相比、具有以下特点.经验模式分解、EMD、能有效处理非平稳信号、在线性框架下、HHT谱与小波谱具有相同的表现特性.但HHT谱在时域内的分辨率高于小波谱,与傅立叶谱相比 从Hilbert谱中不仅可看出幅值、而且可以看出频率随时间的变化情况 这是傅立叶谱所不能反映的。此外 对非平稳的时程曲线。傅立叶谱的分辨率可能要低一些.而对Hilbert谱来说、因为可以结合频率和时间两个坐标来分析.容易消除一些干扰。有利于提高检索信号的分辨率、在克服边缘效应后，HHT能较好地处理短时信号。HHT能客观处理一类非线性问题,所得到的三维谱形能准确地用于波内调制机制。从而反映出系统的非线性变化特性,小波分析难以处理非线性问题，EMD能较好地分离强间歇信号、而且也是去除高频噪声的最好方法之一，实际应用HHT时.必须克服边缘效应、可参考的结构动力参数识别方法及特点如表4所示、表4,结构动力参数识别方法及特点B、0。8、动力有限元模型的修正应符合下列要求、1,由于大型土木结构的复杂性 建模过程的各种近似因素及不确定因素.或者在使用过程中出现损伤、使得该动力有限元模型不可避免地含有误差、因此。由动力有限元模型预测的结构响应 一般无法与测量得到的结构响应完全一致,需要通过获取的处于安全使用状态下的结构响应数据，修正结构的动力有限元模型.使得修正后的动力有限元模型可以正确预测结构响应、由修正的结构动力有限元模型预测的结构响应将与测量的结构响应一致,该修正的动力有限元模型将作为判别结构性能的基准.2.动力有限元模型的修正过程包括。模型匹配，使得测量的自由度与有限元模型的自由度相互协调，相关性指标、比较分析频率与量测频率，模态与测量模态的一致程度，以便决定是否需要模型修正、3，选择修正参数、修正参数可分为下面几种类型。整体系统矩阵的独立元素 描述整体刚度矩阵中子矩阵按比例变化的参数，子矩阵可以是单元矩阵或描述结构某一有限部分的矩阵,有限元模型的物理参数。即材料特性或几何特性,4.误差定位,确定有限元模型误差发生的位置 5,修正方法.修正方法可分为两类.一类是直接修改结构的总刚度矩阵或总质量矩阵 也可以是修改其中的某些系数 即所谓的直接修正法，另一类是选择一组修正系数 如选择结构的几何尺寸。材料性质。边界条件以及连接刚度等作为修正参数 然后通过修正改组参数的方式、达到有限元模型修正的目的，也称为迭代法、B.0、9,结构损伤动力识别应符合下列要求.1。结构退化、损伤识别系统分为两个过程 一是得到修正的有限元模型 作为结构退化损伤识别的基准。二是根据结构的动力响应 通过识别算法判断结构的力学性能.2。结构退化。损伤识别方法可分为两类、非破坏性评估方法。基于振动特性的结构破坏识别方法。非破坏性评估方法、主要应用于检测识别结构部件的局部破坏 基于振动特性的结构破坏识别方法、可以对结构整体的力学性能给出定量评价，从而识别结构整体力学性能的退化或整体结构性能的损伤、3,结构退化,损伤识别方法分为以下四级,分别称为a，b，c d级识别方法 算法。a级。可以识别已经发生的损伤、b级.可以识别已经发生的损伤。并且判断损伤发生的位置.c级。可以识别已经发生的损伤、判断损伤发生的位置 同时估计损伤的程度、d级 可以识别已经发生的损伤 判断损伤发生的位置。估计损伤的程度,同时预测结构的剩余寿命、4.a级识别方法可用于结构频率变化的识别 作为结构退化或损伤的标志.b级识别方法、可用于判断结构是否存在退化或损伤及损伤发生的位置、但前提条件是量测的振型需十分准确.5 结构损伤识别方法主要包含破坏因子方法.振型模态曲率方法 振型模态应变能法,柔度变化方法,均匀柔度模态曲率变化方法 刚度变化方法等.考虑到质量矩阵难以实际量测、宜选用破坏因子方法,振型模态曲率方法,振型模态应变能法、刚度变化方法 6,结构损伤识别方法包括破坏因子识别方法.振型模态曲率方法,柔度变化方法,均匀柔度模态曲率变化方法和刚度变化方法,1,破坏因子识别方法、Damage，Index.Method。考虑一个线弹性梁 有限元离散为NE个单元,N个自由度 ψi。z、为结构的第i个振型向量。EI，x。记为梁的弯曲刚度、L记为梁的长度、定义破坏因子如下,其中。K。结构刚度矩阵.M 结构质量矩阵，xi。第i个位移特征向量.结构有退化或损伤时、特征值问题可写为,其中 结构退化或损伤时的相应量、对梁而言,考虑在点x处作用弯矩M x,在该点处的变形曲率v，x.可以写为.其中、EI.梁的弯曲刚度 v，x,变形曲率、可以用作损伤因子.3 柔度变化方法,Change、in。Flexibility，Method，结构没有退化或损伤时 柔度矩阵。F 可以由测量的结构振型计算如下 其中 i，第i个质量归一的振型向量.Φ。振型矩阵.Φ、1。2、n.wi，第i个振动频率。Ω 振型刚度矩阵,Ω,diag。w21.w22 w2n，n。测量或计算的模态个数、同样结构退化或损伤时.相应的柔度矩阵,F.可以由测量的结构振型计算如下,上式为对向量的绝对值运算 理解为对向量每个元素分别取绝对值，可作为结构退化或损伤指标，4。均匀柔度模态曲率变化方法。Change.in,uniform，flexibility,shape,curvature。method,结构没有退化或损伤时,柔度矩阵。F,可以由测量的结构振型计算如下、同样、结构有退化或损伤时、柔度矩阵可以由测量的结构振型计算如下.其中。结构退化或损伤时的相应量。在所有的自由度上作用单位载荷,此时的结构位移称为均匀柔度矩阵,可作为结构退化或损伤指标.5,刚度变化方法 Change.in，stiffness,method。不考虑结构阻尼。结构没有退化或损伤时、结构特征值问题可写为、其中，K，结构刚度矩阵。M。结构质量矩阵,Φ，振型矩阵 Φ，1、2、n i 第i个质量归一的振型向量,wi，第i个振动频率.Ω，振型刚度矩阵，Ω,diag w21.w22。w2n、n 测量或计算的模态个数。当结构发生退化或损伤时 假定,K，及,M.的摄动量为，Kd 及、Md，结构特征值问题可写为。其中、结构退化或损伤时的相应量 预测结构退化或损伤、可先不考虑质量矩阵的变化，下面的表达式可作为结构退化或损伤的指标、结构退化或损伤前后的刚度矩阵，可由测量的结构振型计算得到