一種基于振動響應(yīng)測試的隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于隧道結(jié)構(gòu)損傷檢測識別設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種基于振動響應(yīng)測試的 隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，大中型城市室內(nèi)交通擁堵嚴(yán)重，為了滿足人們的日常出行要求，城市公共 交通建設(shè)取得了迅猛的發(fā)展，特別是方便快捷的地鐵交通。國內(nèi)多個城市大規(guī)模進(jìn)行地鐵 隧道建設(shè)，特別北京、上海等大城市已經(jīng)建成了數(shù)百公里的地鐵隧道，每天承載著數(shù)百萬市 民的日常出行，目前上海已經(jīng)成為世界上運(yùn)營地鐵隧道最長的城市。然而，由于隧道是修建 在地下巖土介質(zhì)中的半隱蔽工程，而且我國地鐵隧道是在不同時期、不同地質(zhì)條件和不同 技術(shù)水平下修建的，經(jīng)過多年運(yùn)營，許多隧道已出現(xiàn)多種損傷病害，具體表現(xiàn)在：不均勻沉 降、裂縫、滲漏水、錯臺、掉塊、管片背后空洞等，這些病害形成的隱患給隧道運(yùn)營安全造成 了一定威脅。
[0003] 如果分別對不同類型的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測需要用到多種類型的技術(shù)和儀器以及 大規(guī)模的人工巡查記錄等，需要大量的人力物力，危險程度高且損傷的識別檢測有一定的 滯后性，無法及時發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷，檢測結(jié)果主觀性大，不同的檢測人員會得出不 同的檢測結(jié)果，而且對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評價大多是定性描述。如果密集的布置多種 類型的傳感器設(shè)備，不能確定重點(diǎn)監(jiān)測部位，則造成設(shè)備的大量浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于振動響應(yīng)測試的隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置，本發(fā)明 把多種不同結(jié)構(gòu)病害損傷歸結(jié)為結(jié)構(gòu)本身動力屬性的改變，通過脈沖激勵裝置激發(fā)脈沖激 勵，高精度加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，識別地鐵隧道結(jié)構(gòu)動力屬性改變位置，進(jìn)行損 傷定位。在超長的地鐵線路中定位結(jié)構(gòu)動力損傷范圍后，再結(jié)合局部損傷識別技術(shù)手段在 一個較小范圍內(nèi)進(jìn)一步識別損傷情況，制定維修保養(yǎng)策略。損傷識別裝置操作簡單，在超長 地鐵線路中可快速識別定位損傷位置，為進(jìn)一步的重點(diǎn)區(qū)域檢測提供依據(jù)，大大提高工作 效率，節(jié)省人力物力。
[0005] 本發(fā)明提出的基于振動響應(yīng)測試的隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置，包括加速度傳感器、 脈沖激勵裝置、中央控制電腦、信號采集儀和水平伸縮臂；其中：信號采集儀的輸入端分別 連接兩個水平伸縮臂一端，信號采集儀的輸出端連接中央控制電腦，兩個水平伸縮臂另一 端分別連接加速度傳感器，加速度傳感器底部設(shè)有磁性底座，所述兩個水平伸縮臂分別位 于待測結(jié)構(gòu)的兩端，脈沖激勵裝置位于待測結(jié)構(gòu)中部的上方；脈沖激勵裝置的輸入端連接 信號采集儀；所述水平伸縮臂連接操作手柄；使用時，操作人員通過操作手柄控制兩個水 平伸縮臂的伸展，并使加速度傳感器放下，通過脈沖激勵裝置對待測結(jié)構(gòu)施加脈沖激勵，兩 個加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，在中央控制電腦上利用隧道結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)（TDDS VI. 0軟件登記號：2014SR183488)可以實(shí)時對振動信號進(jìn)行處理分析；隧道結(jié)構(gòu)損傷識 別裝置應(yīng)用的計(jì)算方法如下： 自由度為η的結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程為： M*(f) + Cx(〇+KxCf)=f(f) (1) 其中，x(t)為nXl位移向量，M為nXn質(zhì)量矩陣，C為nXn阻尼矩陣，K為 ηΧη剛度矩陣，f(t)為nXl外部激勵向量。如果外部激勵作用在待測結(jié)構(gòu)的一個自由 度上，則f(t)僅有一個非零元素，即_ = 為。
[0006] 通過傅里葉變換，把方程（1)在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為： X(iu) = H(ia)F(iu) (2) 其中，H(句為ηχη頻響函數(shù)矩陣。假設(shè)外部激勵作用在第k個自由度，則外部激勵 向量可表示為： F〇p)= {〇p 02，.. " F4 〇),.."〇/ (3) 頻域內(nèi)的加速度向量可以由方程（2)計(jì)算得到： _ = -fij2H(iU)F(fi〇 (4) 對于自由度i和自由度j之間的傳遞函數(shù)4⑷定義為加速度頻譜4⑷和之間 的比值。則傳遞函數(shù)&〇)可以表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于振動響應(yīng)測試的隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置，包括加速度傳感器、脈沖激勵裝置、中 央控制電腦、信號采集儀和水平伸縮臂；其特征在于：信號采集儀的輸入端分別連接兩個 水平伸縮臂一端，信號采集儀的輸出端連接中央控制電腦，兩個水平伸縮臂另一端分別連 接加速度傳感器，加速度傳感器底部設(shè)有磁性底座，所述兩個水平伸縮臂分別位于待測結(jié) 構(gòu)的兩端，脈沖激勵裝置位于待測結(jié)構(gòu)中部的上方；脈沖激勵裝置的輸入端連接信號采集 儀；所述水平伸縮臂連接操作手柄；使用時，操作人員通過操作手柄控制兩個水平伸縮臂 的伸展，并使加速度傳感器放下，通過脈沖激勵裝置對待測結(jié)構(gòu)施加脈沖激勵，兩個加速度 傳感器采集結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，在中央控制電腦上利用隧道結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)軟件實(shí)時對振動 信號進(jìn)行處理分析；隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置應(yīng)用的計(jì)算方法如下： 自由度為η的結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程為： Mx(〇 + C*：r) + Kx(〇 = f(〇 (l) 其中，x(t)為nXl位移向量，M為nXn質(zhì)量矩陣，C為nXn阻尼矩陣，K為 ηΧη剛度矩陣，f(t)為nXl外部激勵向量；如果外部激勵作用在待測結(jié)構(gòu)的一個自由 度上^以⑴僅有一個非零元素肩取卜柯鳥…,/#),…』/; 通過傅里葉變換，把方程（1)在頻域內(nèi)轉(zhuǎn)換為： X(iu) = H(a)F(a) ⑵ 其中，Η(??)為ηχη頻響函數(shù)矩陣； 假設(shè)外部激勵作用在第k個自由度，則外部激勵向量表示為： FCfl,)= (〇>),...,Ojr (3) 頻域內(nèi)的加速度向量可以由方程（2)計(jì)算得到： A(fii) = -,iJ2H(iu)F(iP) (4) 對于自由度i和自由度j之間的傳遞函數(shù)及⑷定義為加速度頻譜4⑷和之間 的比值；則傳遞函數(shù)及⑷可以表示為：
其中，h/勸為Η(ω)的第i行，\ 為Η(β)的第j行；把方程（3 )代入方程（5 )，則& (句 簡化為：
其中，⑷是頻響函數(shù)H(SJ)的第i行k列的元素，是頻響函數(shù)Η(??)的第j行 k列的元素； 自由度i和自由度j之間的傳遞函數(shù)損傷指數(shù)定義為：
其中，外和^是積分頻率范圍的下限和上限，上標(biāo)U表示未破壞的結(jié)構(gòu)，上標(biāo)D表示 破壞后的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的C表示未破壞結(jié)構(gòu)上自由度i和自由度J之間的傳遞函數(shù)，V表 示結(jié)構(gòu)破壞自由度i和自由度J之間的傳遞函數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種基于振動響應(yīng)測試的隧道結(jié)構(gòu)損傷識別裝置，通過脈沖激勵裝置激發(fā)振動脈沖信號，利用高精度加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，提取結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)損傷（即結(jié)構(gòu)動力屬性改變）的識別；損傷識別裝置主要包括加速度傳感器，脈沖激勵裝置，中央控制電腦，信號采集儀，水平伸縮臂，以及配套的線路等組成；操作人員通過操作指令控制水平伸縮臂伸展長度，確定檢測范圍。將伸縮臂兩端的加速度傳感器固定在結(jié)構(gòu)表面，控制脈沖激勵裝置對結(jié)構(gòu)施加脈沖激勵，采集結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，中央控制電腦通過隧道結(jié)構(gòu)損傷識別系統(tǒng)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別。
【IPC分類】G01N29-04
【公開號】CN104634870
【申請?zhí)枴緾N201410814091
【發(fā)明人】謝雄耀, 馮雷, 何佳敏, 趙銘睿
【申請人】同濟(jì)大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2014年12月24日