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第十届全围现代结构工程学术研讨会 基于信号处理技术的结构健康监测技术研究 ——传动函数法 潘晓杰1，童林浪2，周谦红2，徐健2 2．天津东南钢结构有限公司．天津．300308) (1．湖北武环建设有限公司，京山431800l 提要： 对许多大型的复杂结构，在进行损伤识别时，建立实际结构准确的有限元模型有一定的困难，并且由于结构几何形 状的变化如裂缝、分层和非线性的影响等产生的损伤很难用有限元模型来精确的表示。本文介绍了一种基于信号处 理技术的损伤识别方法：传动函数法。它仅用振动测试信号即可进行损伤的定位，而不用测量输入激励，并且不需 要建立实际结构的有限元模型。传动函数定义为结构上两个测点之间互功率谱与自功率谱的比值。对于相同均方根 幅值的随机激励，传动函数是传递函数矩阵列的函数。与输入或输出的物理量无关，因此，结构损伤前后传动函数 的变化反映了结构性质的变化，可以用来识别损伤。最后通过一个数值算例验证了此方法的有效性。 关键词· 传动函数；传递函数；互功率谱；自功率谱：归一化 一、引言 大型工程结构，如桥梁，高层建筑，地下管道等在经过长期的使用后，很容易发生老化，裂缝，疲劳， 腐蚀等．这将给工程结构带来不可避免的潜在危险，对这些大型结构进行健康监测。以确定其损伤的类型， 位置，程度，并对其工作性能和剩余寿命进行评估和预测具有十分重要的现实意义…。早期的损伤预报作为 其中的重要一环，其重要性受到越来越多人的重视。 损伤检测方法大致可分为局部损伤检测(LocalDamageDetection)和整体损伤检测(GlobalDamage Detection)‘21 局部法依赖成熟的无损检测技术对某个特定的结构部件进行检测，判断是否有损伤及损伤的程度。检测 技术主要包括目测法、发射光谱法、回弹法、声发射法、渗漏试验法、脉冲回波法、磁粒子法、磁扰动法 和涡流法等。绝大多数技术成功地应用于检查一定部件的裂缝位置、焊接缺陷、腐蚀磨损、松弛或失稳等， 实际检测中经常几种技术联合使用来评价结构状态。尽管这些方法对结构局部损伤检测非常有效，但这些 方法要求事先知道损伤区域，并且损伤探测传感器容易达到被测部位。而对于大型复杂结构，这些条件是 难以满足的，往往耗费巨大甚至无法实现，因此其使用受到很大限制。 目前，得到普遍认同的一种有前途的方法就是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集与 分析等跨学科分析法．即整体法。这种方法在发达国家已被广泛应用于航空、航天、精密机床等领域的故 障诊断、荷载识别和动力学修改等问题中。具有强大的生命力和广阔的发展前景¨一1。 本文讨论了一种薪的适用于大型复杂结构的损伤识别算法。与以往文献中提到的许多算法不同，传动 函数法不依赖结构的有限元模型，不需要测量输入激励，算法简单，避免了大量计算带来的误差，能较好 真试验得到的加速度信号进行分析，验证了该方法的有效性。 工业建筑2010增刊 845 第十届全国现代结构工程学术研讨会 二、传动函数基本理论 结构的运动方程为： 【M]{J／}+【C】{支}+【K】{Xl (1) ={兀(f)}+{无(r)} 然激励力和有激振器产生的激励力。在整个测量时间长度to上，对测得的加速度矢量进行离散傅立叶变换， 可以得到： ‘c：‘，岛”i=I∥旧(妫】({‘(以f0¨ (2) 一 +{五(似fo)}) 其中(口)为加速度矢量，【日(国)】为频率响应函数(传递函数)。上式两