[发明专利]一种利用模态应变测量工程结构中性轴位置的方法

说明书

技术领域

本发明属于工程监测、传感技术领域，具体涉及一种利用模态应变测量工程结构 中性轴位置的方法。

背景技术

中性轴是结构的固有特性，与外部荷载无关，也是计算分析结构抗弯性能时不可 或缺的参数。在结构处于纯弯的工况下，中性轴位于应变为零的位置。中性轴的测量一般采 用应变传感器直接测量应变，或采用位移计测量位移后转化成应变，再利用应变在截面上 的分布计算中性轴位置。但是，在实际中存在以下典型问题：（1）纯弯的工况很少，通常是 弯、剪和扭的几种受力状态的组合，因此，直接采用测量的应变分析中性轴位置存在误差； （2）工程结构尤其是混凝土结构在外部荷载作用下的应变很小，测量获得的应变中噪声含 量高，利用应变直接分析中性轴位置精度有限。

在结构动力特性中，平截面假定依然适用，也即在弯矩下截面应变成线性分布，进 一步可推导出经傅立叶变换获得的模态应变在截面上也符合平截面假定的线性分布。其 中，在1阶弯曲模态下，结构弯曲状态明显，同时在模态解析过程中可自然地大幅降低本阶 模态以外的噪声信号影响，因此，利用模态应变可实现中性轴位置的高精度测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种利用模态应变测量工程结 构中性轴位置的方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种利用模态应变测量工程结构中性轴位置的方法，在弯曲模态下，同一截面的模态 应变分布符合平截面假定，通过测量截面上下两个不同位置的模态应变计算中性轴位置， 具体包括以下步骤：

步骤1）动态应变响应采集

采用应变传感器测量该工程结构在外部激励下的动态应变时程，至少在同一截面不同 高度布设两只应变传感器，采集点式应变或单元的平均应变；

步骤2）应变模态解析

将动态应变响应通过傅立叶变换从而获得各阶固有振动频率下的频谱：（1），

（2），并选取一阶弯曲模态为解析对象；

步骤3）模态应变提取

在基于应变模态解析的频谱上，选取一阶弯曲振动频率附近的最大幅值作为本次测量 的模态应变；

步骤4）中性轴位置系数提取

定义中性轴位置系数为工程结构截面不同位置的应变模态解析获得的一阶弯曲模态应变之间的比值：（3），式（3）中，和分别为应变传感器和应变传感器测量的应变响应所解析出来的一阶弯曲模态应变，为一阶弯曲模态固有频率；

步骤5）中性轴高度计算

获得中性轴位置系数后，依据基本的几何方法即可计算中性轴高度，具体分为两种情况：

情况1：两只应变传感器位于中性轴不同侧，计算公式为：（4）；

情况2，两只应变传感器位于中性轴同一侧，计算公式为：（5）；

在式（4）和式（5）中，是其中一只应变传感器到中性轴的距离，是第一只应变传感器和第二只应变传感器之间的距离。

进一步的，所述应变传感器为长标距应变传感器，标距长度不大于1m。

进一步的，所述步骤1）中动态应变响应的采样频率不低于50Hz。

进一步的，所述步骤4）中采用不同数据点数据统计的方法，即多次测量，提取线性 拟合系数，使得线性相关系数不小于0.99。

进一步的，所述步骤5）中判别传感器在中性轴同侧还是异侧的方法是：应变符号 相同在同侧，异号则异侧。

本发明的有益效果是:

1、本发明中采用1阶模态应变来解析中性轴位置，解决了工程结构在难以施加静载下 中性轴的测量问题，解决了交通荷载、环境激励等工况下难以实施中性轴位置高精度测量 的困境，具有较强的适用性；

2、本发明中提出的中性轴位置测量方法，可应用于震后等情况下的快速检测，为保障 工程结构安全有效运营提供技术支持;

3、本发明方法概念清晰、流程简明，实现了中性轴位置的高精度测量，市场竞争力强， 为保障国家基础设施安全和财产安全产生有益效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一阶弯曲模态下截面的应变响应分布（时域）图；