[发明专利]一种空间网格结构节点螺栓松动损伤的诊断方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构的螺栓松动损伤诊断方法，特别涉及一种空间网格结构节点的螺栓松动损伤诊断方法。

背景技术

空间网格结构体系迅速发展于20世纪80年代，截至目前其结构形式已经向多样化、新颖化和超大跨度化方向发展。这些大空间、超大空间建筑投资巨大，往往是人群集合或配置重要设施的场所，其安全不仅维系着成千上万人的生命安全，而且还具有重大的国内、国际影响。而在结构中节点是受力最集中的部位，对于整体结构的安全性极为重要，节点一旦失效，相连杆件将丧失部分或全部承载功能，可能造成结构的传力路径改变、结构体系局部破坏，甚至可能引发整个体系连续性破坏。螺栓球节点作为一种典型的半刚性节点，由于其加工制作工艺简单，现场安装方便，技术要求较低，可以避免高空焊接作业，在国内外广泛应用于网格比较规则的中、小跨度的网架、双层网壳结构。而且近年来自由曲面造型的建筑设计日益流行，螺栓球节点由于其空间定位方便准确特别适用于这种复杂曲面的网格结构。空间网格结构中高强螺栓节点的失效形式属于脆性破坏，没有发生杆件变形等预兆。试验研究结果表明，螺栓的紧固程度对结构的刚度影响显著，特别是工程中螺栓球节点还存在着致命的“假拧紧”现象，在设计和施工上都不容易控制。德国Mero体系将钢管开孔以检查螺栓是否到位，但开孔断面削弱太多。此外日本在大连电视塔工程中曾由螺帽孔插入内窥镜，检查螺栓是否到位，由于会大大提高施工成本，并不适合推广。因此对大跨网格结构螺栓球节点进行损伤识别及安全评估方法的研究具有重要的现实意义。

从目前的研究来看，对于空间网格结构损伤识别的研究大都集中为杆件的损伤定位，即采用降低杆件的弹性模量来模拟杆件的损伤，尚未见到研究节点连接的损伤识别，而事实上工程应用时螺栓松动损伤发生的概率要比杆件损伤大的多， 因此寻求一种螺栓松动损伤识别的方法迫在眉睫。目前，人工神经网络(简称ANN)方法以其处理信息的并行性、自组织、自学习性、联想记忆功能以及很强的鲁棒性和容错性等优点，被广泛应用于损伤识别。然而由于空间网格结构的自由度太多，且能够获得的实测数据非常有限，而基于不完备测试信息的情况下直接利用神经网络对整体结构的损伤判定几乎是不可能完成的，会出现模拟损伤样本组合爆炸的问题，因此降低神经网络的计算量成为了能否使用该方法的关键。在结构损伤识别中，损伤位置的诊断比损伤程度的诊断更困难，但也更重要。一方面，它可以确定出结构有无损伤或损伤的大致位置；另一方面，在确定出损伤的大致位置后，采用较精密的无损检测设备对该区域进行局部检测。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种基于人工神经网络技术的空间网格结构螺栓松动损伤诊断的分步定位新方法，使计算工作量大大减少，从而增强神经网络技术对空间网格结构进行损伤诊断的实用性。精简神经网络的结构并提高其非线性映射能力及损伤识别的效率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种空间网格结构节点螺栓松动损伤的诊断方法，首先以整个结构为控制对象进行面向子结构的损伤定位，即根据空间网格结构的组成规律，将其细分成子结构，采用概率神经网络诊断螺栓松动损伤可能发生的子结构。然后以整个子结构为控制对象，在缩小的范围内采用面向节点的损伤定位法，确定子结构中螺栓松动损伤的节点位置。

上述方法具体包括以下几个步骤：

1.1. 对螺栓球节点进行了精细化建模，通过分析螺栓球转动刚度随弯矩的变化情况，获得螺栓球连接的弯矩―转角(M―θ)曲线，利用简化原则将连接等效为一段直杆；

1.2. 建立结构的半刚性模型，即得到结构的精细化模型； 

1.3. 根据空间网格结构的构成特点将空间网格结构按照几何位置连续性的方式划分为多个子结构，任意两个子结构中杆件、节点的布置相同，并对其进行编号；

1.4. 对结构测点进行加速度传感器的优化布置，并进行频率对杆件的灵敏度分析；

1.5. 螺栓松动损伤的数值模拟；

1.6. 以整个结构为研究对象，确定神经网络的训练样本、输入参数及输出参数，选择概率神经网络 (简称PNN)进行训练。将螺栓松动的损伤样本输入到训练完毕的PNN网络A，输出为损伤位置所在的子结构，即将损伤位置定位到其所在的子结构；

1.7. 以整个子结构作为研究对象，以NDSIi(k)作为输入参数，螺栓松动损伤对应的节点损伤指数作为神经网络的输出，采用广义回归神经网络 (简称GRNN)进行训练。将损伤样本输入到训练完毕的GRNN网络B，输出为节点的损伤指数，即将损伤位置定位到其所在的节点；