[发明专利]一种桁架结构节点损伤检测系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于基于振动的结构损伤检测技术领域，涉及到桁架结构节点的损伤定位，具体地说是发明了一个用于桁架结构节点定期检测的损伤定位系统。

背景技术

基于振动的结构损伤检测技术是一种采用整体法的损伤检测技术，在工程结构安全检测中有着广阔的应用前景。基于振动响应信号时域分析的结构损伤检测方法是其中一个重要的分支，这类方法直接分析结构的振动响应时间序列，不需要基于振动数据识别模态参数，也避免了模态参数识别等中间过程中的不确定性对损伤定位结果的影响。基于振动的损伤检测方法中最关键的是用振动信息构建损伤指标，鉴于许多结构损伤定位方法采用了基于能量的指标来检测损伤，并且这些基于各种“能量”的损伤定位方法都取得了较好的效果；本发明提出了基于应变信号的急动度能量波形的平均归一化曲率差法。应变信号可以通过应变片或光纤光栅应变传感器来获得，其中光纤光栅应变传感器具有重量轻、超纤细、传输损耗低、化学稳定性和抗电磁干扰能力强、适应低应变水平、高频率范围、支持波分复用等优点。

桁架结构(网架结构)是广泛用在各类工业结构和工程结构中的常见结构类型，许多桁架结构如钢桁桥结构常在极端的环境中工作，节点损伤(例如焊接失效、螺栓松动)是钢桁架结构的主要病害。已有文献表明，许多钢结构的破坏是由低质量的焊接所造成的，焊接残余应力和焊接缺陷等在钢桥的脆性断裂事故中有十分明显的作用，损伤的节点大大降低了结构的地震抵抗力；同时，在役钢桁结构中一些高强螺栓松动甚至脱落的可能性也很大。桁架节点是对桁架结构整体安全最重要的组成部分，节点的安全是整个桁架结构安全的关键；一旦某个节点失效，其周边的桁架杆和节点失效的可能性便会随之增加，进而引发结构失效甚至灾难。例如，文献指出韩国Seongsu大桥的结构失效是由于钢桁架的焊接不当引起的。若存在一个有效的方法及时检测钢桁架结构的节点状态，以便及早发现节点状态的微小变化，许多灾难或许可以避免。因此，研究适用于桁架结构节点的损伤定位方法意义重大。

发明内容

为了及时掌握桁架结构中桁架节点的服役状态，发明提供了一种桁架结构节点损伤检测系统，该系统包含数据采集模块、数据分析模块和决策模块三个部分；

其中数据采集模块采集位于桁架结构待测子结构中所有杆件上测点的应变响应信号并存储在计算机中；

数据分析模块将采集到的所有桁架结构中杆件上测点的应变信号基于提出的桁架结构节点损伤定位的急动度能量波形的平均归一化曲率差法进行计算并给出损伤定位结果；

决策模块根据数据分析模块的计算结果，首先显示是否有异常测点以及异常测点的位置，若无异常测点，则所有桁架节点均安全；若有异常测点，则异常测点所在桁架杆两端的桁架节点连接处必有损伤；再使用物理无损检测方法对异常测点所在桁架杆两端的桁架节点进行检测确定损伤发生在一端还是两端均有，最后对损伤处进行维修。

桁架结构节点损伤检测系统的检测步骤如下：

步骤一：将待测桁架结构划分为若干个相邻的区间，每个区间称为一个子结构，按照顺序从桁架结构的一端开始逐个进行检测至另一端；

步骤二、测点布置：将待测桁架子结构中每个桁架杆的中点处外侧布置一个应变测点，可以使用光纤光栅传感器或者应变片测试应变；

步骤三、数据采集：在数据采集模块中，用小锤激励待测桁架子结构旁某桁架节点时，应变采集设备采集待测子结构中各个桁架杆测点处的应变信号，并将桁架杆测点的应变信号传送到计算机中；

步骤四：数据分析：在数据分析模块中计算各测点处信号的急动度能量JE的值：将待测子结构中桁架杆分别编号为桁架杆1、2、3……M，假设桁架杆k上测点的应变时间序列(应变信号x)的各散点为x₁,x₂,...x_N，则定义桁架杆k测点处应变信号的急动度能量JE如下