專利名稱：一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法
技術領域：
本發明涉及一種結構的頻率識別方法，特別涉及一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法。
背景技術：
空間網格結構體系迅速發展于20世紀80年代，截至目前其結構形式已經向多樣化、新穎化和超大跨度化方向發展。2008年北京奧運會、2009年i^一屆全運會、2010年上海世博會及2011年的深圳大運會后，大量新穎獨特的空間網格結構奧運場館即將向公眾開發并長期投入使用，如鳥巢、水立方、深圳大運會場館、各大城市的奧體中心等。這些新建或已建的大跨度空間網格結構工程，連同上個世紀建造的大跨空間結構無疑構成了我國社會和經濟發展的主要載體。大型空間網格結構工程設計使用年限長達上百年，在其服役過程中由于環境荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應、材料老化和突變效應等災害因素影響，結構不可避免地會產生損傷的累積和抗力的衰減，從而導致抵抗自然災害能力的下降，極端情況下會引發災難性的突發事故。這樣的重大工程結構一旦失效，將會造成巨大的經濟損失和人員傷亡，由此可見為了保障結構的安全性和可靠性，已建成使用的許多大跨、超大跨空間結構的損傷診斷與健康評估顯得日益重要。結構損傷檢測較早采用的方法是結構靜態檢測，即通過直接測量結構及構件的尺寸、強度和內部缺陷(如超聲波法、發射光譜法、射線法等)，進行計算分析以確定結構的工作性能與可靠性水平。該方法的優點是測量結果比較可靠，缺點是工作量大、效率低，受到應用條件的限制，且僅能測量結構的局部。隨著科技與經濟的發展，建筑結構不斷向高層、超高層或大跨超大跨方向發展，結構局部的檢測已逐漸不能滿足結構健康判定的要求，因此基于振動的結構動力無損檢測方法受到了重視。它利用動力響應進行結構性能的識別，不受結構規模和構件隱蔽的限制，另外高效率模塊化、數字化的動力響應量測技術為結構動力檢測方法提供了有效的技術支持。動力檢測方法的特點是應用條件限制少，效率高，既可以對復雜結構的整體也可以對結構的局部進行檢測，包括人工激振法和環境隨機激振法。而環境激勵下的結構檢測(監測)由于具有對構筑物無破壞、無環境污染、不打斷結構的正常運營等優點而受到國內外的重視，成為國際社會研究的熱點和前沿課題。模態識別是結構進行長期健康監測的基礎，環境激勵下模態參數的識別是僅基于輸出的響應的系統識別。國內外研究者提出了多種方法，主要有功率譜峰值法(PP)、自然激勵技術(NEXT)、頻域分解法(FDD)和隨機子空間法(SSI)等。環境隨機激振下的結構動力響應測試數據，具有幅值小、隨機性強和數據量巨大的特點，給空間網格結構的模態參數識別帶來很大的難度和挑戰。傳統的功率譜峰值法在識別模態參數時具有速度快，直觀性強，容易操作的特點，因此在建筑工程中具有較多的應用，但也存在一些問題。例如(1)功率譜峰值法適用的前提是要求頻率必須稀疏， 而空間網格結構具有自振頻率密集、空間耦合振動明顯的特點，同時自然環境振動下的結構動力響應測試數據幅值小、隨機性強，因此功率譜峰值法用于空間網格結構的模態參數識別時會遇到遺漏模態和重疊頻率無法篩選的問題；(2)傳統的方法在頻率識別時單純采用取極大值的數學方法，峰值選取過于主觀，沒有與結構的理論模型聯系起來。
發明內容
本發明針對上述問題，提出了一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其在傳統功率譜峰值法的基礎上進行了改進，根據空間網格結構模態密集的特點提出了若干判斷準則，是一種以結構的理論振型為基礎的輔助正則化功率譜算法，使其適用于空間網格結構的頻率識別，同時根據此改進算法編制了功率譜分析程序。改進后的算法具有速度快、避免遺漏以及自動識別密集頻率的特點。本發明是通過以下技術方案實現的一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于先將結構測點的加速度響應信號進行預處理，接著進行測點的自功率譜計算，然后形成平均正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線，分別拾取各曲線的峰值點對應的頻率值，經過幅角和理論頻率的篩選及采用相位準則和振型準則剔除虛假頻率，然后取二者的并集，最終得到結構各個階次的實測頻率。上述方法具體包括以下幾個步驟(I)將實測的加速度響應信號進行預處理，計算各測點的自功率譜曲線，以所有測點的自功率譜曲線為目標進 行計算，形成全部測點的平均正則化功率譜曲線，然后選擇各個階次目標模態中均振動較大的測點形成輔助功率譜曲線；(2)提取正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線的峰值點分別對應的頻率值α與β，首先進行幅角判斷，然后進行理論頻率篩選，得到篩選后的頻率值α ’與β ’ ；(3)若篩選后的頻率值α ’與β ’結果不存在重疊頻率，則此結果為最終的結構實測頻率，若存在重疊頻率則采用相位準則進行進一步篩選得到頻率值α ’’與β ’’ ；(4)若進一步篩選后的頻率值α ’’與β ’’不存在重疊頻率，則此結果為最終的結構實測頻率，若仍存在重疊頻率則采用振型準則進行篩選，從而得到基于正則化功率譜曲線、輔助功率譜曲線最終的結構實測頻率值α ’’’與β ’’’ ；(5)取曲線正則化功率譜曲線、輔助功率譜曲線最終的結構實測頻率值α ’’’與β ’’’的并集，得到最終的結構實測頻率。所述步驟⑴中加速度響應信號的預處理包括平滑、濾波。所述步驟(2)中幅角判斷方法為正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線峰值點對應的傳遞函數幅角值(即選取振動較大的測點為參考點，計算它與其余測點的互功率譜，可得出互功率譜曲線(與自譜曲線相似，同樣會在頻率處出現峰值)和幅角曲線，此時可得到每個峰值下對應的幅角值，也稱相位角)在0° ±30°或者180° ±30°時為結構頻率值，否則為虛假值。所述步驟(2)中理論頻率篩選方法為將權利要求4中幅角判斷中篩選后的結構頻率值與理論頻率值進行比較，上述結構頻率值在理論頻率值的5%范圍內時為結構頻率值，否則為虛假值。所述步驟(3)中的相位準則篩選方法為選擇與重疊頻率對應的理論振型的兩個測點，計算二者的相位角，并分析相位關系，與理論振型中兩測點相位關系不一致的為虛假頻率。所述步驟(4)中的振型準則篩選方法為根據重疊頻率對應的理論振型，選擇振型分量較大處對應的測點，計算該測點的自譜，所得自譜中該振型具有明顯峰值的為結構頻率值，否則為虛假值。有益效果本發明的優點及效果是1.克服了傳統功率譜峰值法中頻率取值過于主觀的缺點，本發明的方法可快速、高效的得出結構目標模態中每階頻率的值。2.該發明在獲得所有測點平均正則化功率譜的基礎上，結合結構的理論振型特點計算輔助正則化功率譜，有效的解決了密集模態的遺漏問題。3.該發明針對空間網格結構模態密集的特點，結合結構的理論模態采用相位準則、振型準則有效的剔除了虛假頻率，解決了模態重疊的問題。4.針對此改進算法的編制了對應的程序，可方便有效的應用到實際工程的頻率測試中。
圖1為本發明的流程框圖；圖2為某測點的 加速度時程曲線；圖3為經平滑、濾波預處理后的曲線；圖4為實施例1各測點的平均正則化功率譜曲線和部分響應較大測點的輔助功率譜曲線；圖5為實施例2各測點的平均正則化功率譜曲線和部分響應較大測點的輔助功率譜曲線。
具體實施例方式本發明的具體實施方式
如下實施例1某正交正放四角錐網架結構，經白噪聲激勵后提取了測點的加速度時程曲線，為了更好的模擬環境激勵，同時將10%的噪聲加入結構響應，以下為結構前6階頻率識別步驟(I)圖2為某測點的加速度時程曲線，圖3為經平滑、濾波預處理后的曲線。(2)經計算，形成測點的平均正則化功率譜曲線和部分響應較大測點的輔助功率譜曲線，如圖4所示。經幅角判斷和理論頻率篩選后α’與β’的結果分別如表1、2所示。β’的結果避免了第6階模態的遺漏。表I篩選后的α ’結果(Hz)
權利要求
1.一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于先將結構測點加速度響應信號進行預處理，接著進行測點的自功率譜計算，然后形成平均正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線，分別拾取各曲線的峰值點對應的頻率值，經過幅角和理論頻率的篩選及采用相位準則和振型準則剔除虛假頻率，然后取二者的并集，最終得到結構各個階次的實測頻率。
2.如權利要求1所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述方法具體包括以下幾個步驟(1)將實測的加速度響應信號進行預處理，計算各測點的自功率譜曲線，以所有測點的自功率譜曲線為目標進行計算，形成全部測點的平均正則化功率譜曲線，然后選擇各個階次目標模態中均振動較大的測點形成輔助功率譜曲線；(2)提取正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線的峰值點分別對應的頻率值α與β，首先進行幅角判斷，然后進行理論頻率篩選，得到篩選后的頻率值α ’與β ’ ；(3)若篩選后的頻率值α’與β ’結果不存在重疊頻率，則此結果為最終的結構實測頻率，若存在重疊頻率則采用相位準則進行進一步篩選得到頻率值α ’’與β ’’ ；(4)若進一步篩選后的頻率值α’’與β ’’不存在重疊頻率，則此結果為最終的結構實測頻率，若仍存在重疊頻率則采用振型準則進行篩選，從而得到基于正則化功率譜曲線、輔助功率譜曲線最終的結構實測頻率值α ’’’與β ’’’ ；(5)取曲線正則化功率譜曲線、輔助功率譜曲線最終的結構實測頻率值α’’’與β ’’’的并集，得到最終的結構實測頻率。
3.如權利要求1或2所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述加速度響應信號的預處理包括平滑、濾波。
4.如權利要求3所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述步驟(2)中幅角判斷方法為正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線峰值點對應的傳遞函數幅角值在0° ±30°或者180° ±30°時為結構頻率值，否則為虛假值。
5.如權利要求4所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述步驟(2)中理論頻率篩選方法為將權利要求4中幅角判斷中篩選后的結構頻率值與理論頻率值進行比較，上述結構頻率值在理論頻率值的5%范圍內時為結構頻率值，否則為虛假值。
6.如權利要求5所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述步驟(3)中的相位準則篩選方法為選擇與重疊頻率對應的理論振型的兩個測點，計算二者的相位角，并分析相位關系，與理論振型中兩測點相位關系不一致的為虛假頻率。
7.如權利要求6所述的改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法，其特征在于所述步驟(4)中的振型準則篩選方法為根據重疊頻率對應的理論振型，選擇振型分量較大處對應的測點，計算該測點的自譜，所得自譜中該振型具有明顯峰值的為結構頻率值，否則為虛假值。
全文摘要
本發明涉及一種改進功率譜峰值法的空間網格結構頻率識別方法。先將加速度響應信號進行預處理(平滑、濾波)，接著進行各個測點的自功率譜計算，然后形成平均正則化功率譜曲線和輔助功率譜曲線，分別拾取兩曲線的峰值點對應的頻率值，然后經過幅角和理論頻率的篩選以及采用相位準則和振型準則剔除其虛假頻率，最后取兩條曲線對應頻率值的并集，最終得到結構各個階次的實測頻率。同時根據此改進算法編制了功率譜分析程序。適用于大型橋梁、輸電塔、高層建筑等結構形式的頻率識別，尤其適用于具有密集模態的大跨空間網格結構的頻率識別，改進后的算法具有速度快、避免頻率遺漏及自動識別密集頻率的特點。
文檔編號G01M7/02GK103033329SQ20121056824
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者吳金志, 劉才瑋, 張毅剛 申請人:北京工業大學