本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)損傷識別和健康監(jiān)測，特別是一種連梁阻尼器原位損傷檢測方法。

背景技術(shù)：

1、連梁阻尼器作為減震建筑結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，在提高抗震能力、增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和減少振動影響等方面起著關(guān)鍵作用。它能夠有效吸收和分散地震或風(fēng)載荷引起的能量，降低結(jié)構(gòu)的振動幅度，從而保護建筑物和其內(nèi)部設(shè)備免受破壞。

2、在小震或者中等程度的地震下，連梁阻尼器腹板發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生能量損耗。由于金屬內(nèi)部存在的瑕疵，這種變形會產(chǎn)生微裂縫，微裂縫擴展使阻尼器出現(xiàn)不同類型的損傷或故障，導(dǎo)致阻尼器減震效果下降或者失去作用。連梁阻尼器損傷后果嚴(yán)重，可能導(dǎo)致以下問題：(1)減震效果下降：損傷的連梁阻尼器無法有效吸收和分散地震能量，減震效果會大打折扣。這將導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)在地震或風(fēng)災(zāi)中受到更大的破壞，危及人員的生命安全；(2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低：損傷的連梁阻尼器無法提供足夠的穩(wěn)定性支撐，使得建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性下降。這可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形加劇，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)的倒塌；(3)設(shè)備功能受限：損傷的連梁阻尼器無法有效減少結(jié)構(gòu)振動，導(dǎo)致建筑物內(nèi)部的設(shè)備受到更大的震動影響。這將導(dǎo)致設(shè)備的損壞或功能失效，對工作和生活產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3、而傳統(tǒng)的檢測方法存在以下缺陷：

4、1、無法做到全面檢測：現(xiàn)有方案先通過數(shù)值計算的方法確定所要抽檢的阻尼器，再安裝阻尼器與檢測裝置。然而在地震時，連梁阻尼器的損傷或損壞會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度與彈性性能發(fā)生變化，從而出現(xiàn)難以預(yù)料的損傷，抽檢不利于對結(jié)構(gòu)整體損傷情況的判斷。

5、2、需要長時間監(jiān)測：現(xiàn)有方案分析阻尼器的耗能與延性性能都需要對阻尼器進行長時間的監(jiān)測，增加了檢測成本，另外在長時間的監(jiān)測下，無法排除環(huán)境因素對監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。

6、3、排查與更換傳感器復(fù)雜：當(dāng)阻尼器的監(jiān)測信號出現(xiàn)異常時，排查與更換傳感器復(fù)雜，效率低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種連梁阻尼器原位損傷檢測方法，本發(fā)明可以得到連梁阻尼器損傷類型及損傷程度的準(zhǔn)確識別結(jié)果。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種連梁阻尼器原位損傷檢測方法，包括以下步驟：

3、步驟1、將壓電元件安裝在連梁阻尼器上，所述壓電元件包括激振器和傳感器，且激振器和傳感器成對的安裝在連梁阻尼器的上下端板及左右翼緣板上；

4、步驟2、利用壓電元件獲取監(jiān)測信號；

5、步驟3、對監(jiān)測信號進行分析，首先對采集到的監(jiān)測信號進行濾波處理，然后進行小波包分解；

6、步驟4、采用深度學(xué)習(xí)模型對連梁阻尼器的損傷狀態(tài)進行識別。

7、作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓電元件的諧振頻率為50khz-200khz。

8、作為本發(fā)明的進一步改進，所述激振器和傳感器以膠粘的方式成對安裝在連梁阻尼器的上下端板及左右翼緣板上，在上下端板的1/4處且靠近腹板的位置分別安裝兩個激振器和傳感器，在右翼緣板長度方向1/4處、寬度方向中部的位置分別安裝兩個激振器和傳感器。

9、作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2具體如下：

10、壓電元器件的激振器與傳感器具有相同的結(jié)構(gòu)，將激振與接收的功能實現(xiàn)互換，在監(jiān)測信號獲取時，在激振器與傳感器各采集一次信號：(1)采用持續(xù)時間為2.0s、幅值為±300v的掃頻信號來激勵激振器，并通過傳感器采集監(jiān)測信號；(2)采用相同的信號來激勵傳感器，并通過相應(yīng)的激振器采集信號，獲得對稱位置相互傳播的信號。

11、作為本發(fā)明的進一步改進，在步驟3中，對采集到的監(jiān)測信號進行濾波處理具體如下：

12、首先對采集到的監(jiān)測信號進行一次傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號：

13、

14、式中，n為傅里葉變換的變換區(qū)間長度；

15、根據(jù)采樣定理，對頻域信號進行濾波處理：輸入?yún)?shù)最低頻率為f_l?ow＝1000hz，最高頻率為f_h?i?gh＝500khz，并得出最低頻率與最高頻率對應(yīng)的序列取值n1與n2，采樣頻域的一半對應(yīng)的序列取值為n3。

16、n1＝[f_low/(fs/n)]+1

17、n2＝[f_high/(fs/n)]

18、n3＝[n/2]

19、在采樣頻域(0，fs/2)的范圍內(nèi)，將n＝0,1,···,n1-1與n＝n2-1,n2,···,n3-1序列對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)化為0；在采樣頻域(fs/2,fs)范圍內(nèi)，將n＝n3-1,n3,···n2+n3-1與n＝n-n1-1,n-n1,···,n序列對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)化為0；再對濾波后的頻域信號進行逆傅里葉變換得到濾波后的時域信號y(k)：

20、

21、作為本發(fā)明的進一步改進，在步驟3中，進行小波包分解具體如下：

22、對監(jiān)測信號y(k)進行小波包變換，分解后子空間信號為yi(n)；

23、(1)第一層分解：對濾波后信號y[n]進行卷積和下采樣得到低頻d[1][n]和高頻g[1][n]分量：

24、d[1][n]＝∑ah[a]·y[2n-a]

25、g[1][n]＝∑ag[a]·y[2n-a]

26、式中，a為濾波器系數(shù)的索引，h[a]為低通濾波器，g[a]為高通濾波器，n為離散時間索引；

27、(2)迭代分解：后續(xù)層級j都是對前一層級j為1進行分解得到的；對于任意層級j的第k個節(jié)點，低頻分量分解公式如下：

28、d[j+1][n]＝∑ah[a]·d[j][2n-a]

29、g[j+1][n]＝∑ag[a]·d[j][2n-a]

30、高頻分量分解公式如下：

31、d[j+1][n]＝∑ah[a]·g[j][2n-a]

32、g[j+1][n]＝∑ag[a]·g[j][2n-a]

33、計算每個子空間內(nèi)的信號的2范數(shù)，作為該子空間信號的能量，對其進行歸一化處理；信號xi的歸一化能量ei計算公式如下：

34、

35、其中xi代表第i個子空間中的信號，i表示子空間的序號；

36、分別計算各個子空間中信號的歸一化能量，得到歸一化小波包能量譜；對不同損傷狀態(tài)下的小波包能量譜的頻帶進行分析，得到其在連梁阻尼器不同損傷狀態(tài)下的頻帶特征。

37、作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟4具體如下：

38、將監(jiān)測信號分解得到的小波包能量譜ei(i＝1,2,3,…256)作為輸入?yún)?shù)代入深度學(xué)習(xí)模型中，即可獲得預(yù)測的機械損傷指數(shù)d，當(dāng)預(yù)測的機械損傷指數(shù)d大于閾值db時，認(rèn)為試件達到了中度破壞及以上水平，應(yīng)當(dāng)及時連梁阻尼器。

39、作為本發(fā)明的進一步改進，所述深度學(xué)習(xí)模型的建立過程具體如下：

40、通過標(biāo)定實驗獲取數(shù)據(jù)集，將所獲得的數(shù)據(jù)集按一定比例劃分為訓(xùn)練集、驗證集與測試集三部分，分別用于深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練、調(diào)整和評估；每個監(jiān)測信號樣本包括小波包能量譜ei和機械損傷指數(shù)d兩部分，分別作為深度學(xué)習(xí)模型的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)；

41、建立由卷積層、最大池化層、全局平均池化層以及re?l?u層等組成的深度學(xué)習(xí)模型框架，以relu函數(shù)為激活函數(shù)；

42、將每個樣本的實測值與模型預(yù)測值之間的均方誤差值作為模型的損失函數(shù)，其中n為樣本總數(shù)，yi為實測值，為模型預(yù)測值，并利用損失函數(shù)計算每個權(quán)重參數(shù)的梯度；從輸出層開始，通過網(wǎng)絡(luò)的每一層反向傳播回輸入層，從而計算出每一層中權(quán)重參數(shù)的梯度；

43、根據(jù)計算出的梯度，采用adam優(yōu)化器對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的權(quán)重參數(shù)進行優(yōu)化，以減小損失函數(shù)值；

44、當(dāng)測試集上損失函數(shù)值達到了閾值或者迭代次數(shù)達到了設(shè)置值(可設(shè)置時，停止訓(xùn)練模型，并輸出此刻的模型作為機械損傷指數(shù)預(yù)測的最終模型。

45、作為本發(fā)明的進一步改進，通過標(biāo)定實驗獲取數(shù)據(jù)集具體如下：

46、對連梁阻尼器進行標(biāo)定試驗，采用荷載為位移-雙控制方式，屈服前，按荷載控制，每級荷載反復(fù)一次；屈服后，按位移控制，每級荷載反復(fù)三次；每種連梁阻尼器進行試驗的個數(shù)不少于三個；

47、在每種連梁阻尼器加載前，測量健康狀態(tài)下的超聲導(dǎo)波信號及相應(yīng)的小波包能量譜信號；

48、進行加載試驗，每加載一圈獲得不同加載條件下的超聲導(dǎo)波信號，及相應(yīng)的小波包能量譜信號；此信號記為eij(k)，其中i代表加載等級，j代表加載次數(shù)(j＝0,1,2,3)，k取值為1,2,3,···,n，n表示濾波后小波包能量譜的數(shù)量。

49、作為本發(fā)明的進一步改進，機械損傷指數(shù)d的計算方式如下：

50、計算每圈應(yīng)力應(yīng)變曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，即加載一圈時阻尼器耗散的能量，記為eij，其中i為加載等級，j為加載圈數(shù)，取值為1,2,3；每一圈耗散的能量eij相加得到構(gòu)件的總體耗能能力第k級加載第m次加載后的機械損傷指數(shù)表示為損傷指數(shù)的閾值db由地震的烈度α，場地與地基類型影響系數(shù)β，建筑結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ，阻尼器的重要性η參數(shù)確定，d0為損傷系數(shù)的基準(zhǔn)值。

51、研發(fā)和應(yīng)用原位檢測方法對連梁阻尼器的損傷進行準(zhǔn)確、實時的評估具有重要意義。本發(fā)明的原位檢測方法可以在不破壞連梁阻尼器的情況下獲取其內(nèi)部的信息，提供更全面、客觀的損傷評估。這些方法可以通過安裝傳感器、應(yīng)變計或其他監(jiān)測設(shè)備在連梁阻尼器上進行數(shù)據(jù)采集和分析，以實時監(jiān)測其振動響應(yīng)、頻率特性或其他物理參數(shù)的變化。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，可以判斷連梁阻尼器是否存在損傷、故障或異常情況，從而及時采取維修或更換措施，保障結(jié)構(gòu)的安全運行。

52、本發(fā)明的有益效果是：

53、1、使用價格低，穩(wěn)定性好，更換方便的壓電器件，利用壓電波動法進行檢測，降低了檢測的成本。

54、2、可以對所有的阻尼器都安裝壓電元件，在震后測量壓電信號的變化從而實現(xiàn)連梁阻尼器的全面檢測。

55、3、通過建立深度學(xué)習(xí)模型，可以通過震后的信號變化，判斷連梁阻尼器的損傷類型及損傷程度，提高了檢測效率。

56、4、通過信號變化可以判斷壓電元件是否損壞，同時由于壓電元件數(shù)量少，體積小，排查與更換傳感器簡單。