本发明公开一种土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，首先根据结构的砌筑及损伤等特点在墙板表面设置多个检波器，通过检波器和记录设备采集微动信号。通过数学分析获得结构的固有频率和固有模态。根据原始设计及施工等资料，建立健全结构有限元模型（有限差分模型），进行特征值计算，获得其固有频率及固有模态等动响应参数。比较计算模型与实测结构的固有频率和固有模态，评价响应的突变位置以及突变量（刚度损失），对损伤进行定位及定量。还提供相应的系统。本发明设备简单、效率高、对结构无损伤、分析理论严谨、分析方法精度高、不受结构损伤程度及复杂性的影响，为土木工程结构损伤检测提供了一种全新的方法。
1.一种土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据结构的砌筑及损伤特点，全面布设检波器，检波器所在位置称之为检测点；具体地，在土木工程墙板表面上不同高度不同水平位置设置多个检波器，设置方式采用两分量方式，垂直于墙体以及平行于墙体；
步骤2：将检波器与记录设备连接后，记录半小时以上的采集波形；设置采样间隔
步骤3：数据处理时首先用数字滤波滤掉10Hz以上的高频成分以消除周围各种人为及动力干扰，然后从150min微动观测数据中选取波形平稳的10组数据，每组数据时间带60s；
通过快速傅里叶变换提取所记录数据中的频率特性曲线；
步骤4：直接利用FFT频谱特性曲线，提取卓越峰值以及其对应的振幅作为结构的各阶固有频率和固有模态；
步骤5：根据结构原始设计及施工资料，建立健全结构计算模型，进行特征值计算，获得结构的固有频率及固有模态这些动响应参数；
步骤6：对微动测试固有模态及计算模态分布进行统一物理量的数据归一化处理或无纲量处理；
步骤7：比较计算模型与实测结构的固有频率和固有模态，评价响应突变位置，对损伤进行定位；
步骤8：将现场测试对象简化为一个n个自由度的体系，通过如下公式一计算损伤刚度Kobv及通过公式二计算未损刚度Kcal，定义刚度损失为 展开于结构平面分布图中，即可得到结构的损伤程度分布，其中，ωi是第i阶特征值，i＝1,2,…,n， 是ωi通过测试得到的损伤结构特征向量， 是ωi通过计算得到的未损伤结构特征向量。
2.根据权利要求1所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，其特征在于，所述计算模型为有限元模型，计算模态为有限元计算模态。
3.根据权利要求1所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，其特征在于，所述计算模型为有限差分模型，计算模态为有限差分计算模态。
4.根据权利要求1所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，其特征在于，所述检波器包括单分量检波器和/或三分量检波器，单分量检波器用于采集某一方向的响应波形，三分量检波器用于采集三方向的响应波形。
5.根据权利要求1所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，其特征在于，所述检波器为固有频率1.0～100Hz的动圈式速度型弹性波勘探用检波器。
6.一种土木工程墙板结构损伤检测的微动测试系统，其特征在于，包括依次相连的数据采集模块、数据分析模块、数值计算模块、以及数据可视化处理模块，数值计算模块还连接数据采集模块，数据可视化处理模块还连接数据分析模块，其中：所述数据采集模块包括数个检波器和记录仪；
所述数据分析模块用于波形处理、快速傅里叶变换、以及固有频率和固有模态分析；
所述数值计算模块用于采用有限元或有限差分方法对数据进行计算；
所述数据可视化处理模块用于生成和显示原始波形图、各种中间处理结果图以及最终处理结果图；
所述检波器的设置方式为用器材把检波器固定于墙板表面，具体地，在土木工程墙板表面上不同高度不同水平位置设置多个检波器，设置方式采用两分量方式，垂直于墙体以及平行于墙体；所述数据分析模块的频谱特性分析之特征在于首先把记录的时序信号通过快速傅立叶变换转换为频率域信号，然后直接读取各卓越频率及振幅；然后直接由各卓越频率对应的振幅转换为结构高度—振幅曲线，然后对振幅进行无纲量处理，得到结构高度—振幅比曲线作为结构的各阶固有模态；所述数值计算模块采用特征值计算理论，进行二维和/或三维结构的特征值计算，获得未损结构的固有频率及固有模态，对固有模态进行无纲量处理，得到未损结构高度—振幅比曲线作为结构的各阶固有模态。
7.根据权利要求6所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试系统，其特征在于，所述检波器为固有频率1.0～100Hz的动圈式速度型弹性波勘探用检波器，所述检波器包括单分量检波器和/或三分量检波器，单分量检波器用于采集某一方向的响应波形，三分量检波器用于采集三方向的响应波形。
8.根据权利要求6所述的土木工程墙板结构损伤检测的微动测试系统，其特征在于，所述记录仪的低截频低于1.0Hz，高截频高于5kHz，为弹性波勘探用数字地震仪。
土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法与系统
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种结构工程检测，特别是墙板结构的无损检测，属于结构工程领域。
背景技术
[0002] 结构在复杂的服役环境中，将受到诸于载荷的作用、自然的风化作用以及各种突发性外在因素的影响，面临着损伤和损伤积累问题。这些损伤的积累势必会导致结构的使用性能降低或发生结构破坏。因此，为保证结构的安全，需要建立探测和识别结构损伤的方法，以便能尽早地探测结构损伤的出现、发生损伤的位置及损伤的程度，对结构实时进行修复，避免灾难性事故的发生。近年来随着我国大规模基础建设的展开，大型化复杂化的土木工程结构不断增加，工程质量事故亦时有发生。另外，中国古建筑不但是我们东方古建筑艺术的典范，而且是全人类宝贵的历史文化遗产。因此针对大型复杂结构以及结构机体存在复杂损伤，表现形态错综复杂且不直接的土木工程结构，需要建立避免对结构本身产生不良影响而又方便快捷地检测和识别结构损伤的方法。
[0003] 近二十多年来，利用非破坏方法来检测结构是否存在损伤，并对损伤进行定位与评估已成为国内外学术界、工程界极为关注且研究活跃的领域。其中利用结构动力特性的变化来进行结构整体损伤检测的方法与技术，有着信号易于提取、探测器可以安装到人们不宜接近的位置等优点。微动测试不需要人为施加震源，其扰动来源是大地深处的微小震动，对结构本身几乎无影响；另外微动测试设备轻巧、操作简单，便于在大型复杂结构中应用。通过一定的分析手段可以良好地推断建筑结构的振动特性（特征值，阻尼系数，振动模态等）。因此，理论上，通过比较未损模型以及实测受损结构的动力参数用可检测结构的力学性能及是否有损伤存在。利用微动测试技术的土木工程墙板结构损伤检测方法及系统正是基于以上特性和大量的实验而发明的。该技术的研发为土木结构损伤检测提供了一种精度好、效率高、快速便捷的手段，具有重要意义。
发明内容
[0004] 本发明提供一种土木工程结构损伤检测的微动测试方法与系统，主要用于砖砌、混凝土等墙板结构内部损伤状态无损检测。本领域技术人员应当理解，本发明所提供的损伤检测的微动测试方法及系统不仅仅能够适用于土木工程墙板结构，还可以适用于其它结构，同样属于本发明的保护范围。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种土木工程墙板结构损伤检测的微动测试方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1：根据结构的砌筑及损伤特点，全面布设检波器，检波器所在位置称之为检测点；
[0007] 步骤2：将检波器与记录设备连接后，记录半小时以上的采集波形；
[0008] 步骤3：通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform-FFT）提取所记录数据中的频率特性曲线；
[0009] 步骤4：直接利用FFT频谱特性曲线，提取卓越峰值以及其对应的振幅作为结构的各阶固有频率和固有模态；
[0010] 步骤5：根据结构原始设计及施工资料，建立健全结构计算模型，进行特征值计算，获得结构的固有频率及固有模态等动响应参数。
[0011] 步骤6：对微动测试固有模态及计算模态分布进行统一物理量的数据归一化处理或无纲量处理；
[0012] 步骤7：比较计算模型与实测结构的固有频率和固有模态，评价响应突变位置，对损伤进行定位。
[0013] 优选地，还包括如下步骤：后面也出现了很多优选的，什么意思呢？常用术语？[0014] 步骤8：将现场测试对象简化为一个n个自由度的体系，通过如下公式一计算损伤刚度Kobv及通过公式二计算未损刚度Kcal，定义刚度损失为 展开于结构平面分布图中，即可得到结构的损伤程度分布，
[0015] 公式一
[0016] 公式二
[0017] 其中，ωi是第i阶特征值，i=1,2,…,n， 是ωi通过测试得到的损伤结构特征向量， 是ωi通过计算得到的未损伤结构特征向量。
[0018] 优选地，所述计算模型为有限元模型，所述计算模态为有限元计算模态。
[0019] 优选地，所述计算模型为有限差分模型，所述计算模态为有限差分计算模态。
[0020] 优选地，所述检波器包括单分量检波器和/或三分量检波器，单分量检波器用于采集某一方向的响应波形，三分量检波器用于采集三方向的响应波形。
[0021] 优选地，所述检波器为固有频率1.0~100Hz的动圈式速度型弹性波勘探用检波器。
[0022] 根据本发明的另一个方面，还提供一种土木工程墙板结构损伤检测的微动测试系统，包括依次相连的数据采集模块、数据分析模块、数值计算模块、以及数据可视化处理模块，数值计算模块还连接数据采集模块，数据可视化处理模块还连接数据分析模块，其中：
[0023] 所述数据采集模块包括数个检波器和记录仪；
[0024] 所述数据分析模块用于波形处理、快速傅里叶变换、以及固有频率和固有模态分析；
[0025] 所述数值计算模块用于采用有限元或有限差分方法对数据进行计算；
[0026] 所述数据可视化处理模块用于生成和显示原始波形图、各种中间处理结果图以及最终处理结果图。
[0027] 优选地，所述检波器为固有频率1.0~100Hz的动圈式速度型弹性波勘探用检波器，所述检波器包括单分量检波器和/或三分量检波器，单分量检波器用于采集某一方向的响应波形，三分量检波器用于采集三方向的响应波形。
[0028] 优选地，所述记录仪的低截频低于1.0Hz，高截频高于5kHz，为弹性波勘探用数字地震仪。
[0029] 优选地，所述检波器的设置方式为用器材把检波器固定于墙板表面；所述数据分析模块的频谱特性分析之特征在于首先把记录的时序信号通过快速傅立叶变换转换为频率域信号，然后直接读取各卓越频率及振幅；然后直接由各卓越频率对应的振幅转换为结构高度—振幅曲线，然后对振幅进行无纲量处理，得到结构高度—振幅比曲线作为结构的各阶固有模态；所述数值计算模块采用特征值计算理论，进行二维和/或三维结构的特征值计算，获得未损结构的固有频率及固有模态，对固有模态进行无纲量处理，得到未损结构高度—振幅比曲线作为结构的各阶固有模态。
[0030] 本发明利用结构动力特性的变化来进行结构整体损伤的定位及定量评价，特别是结构的固有振型包含了更多的损伤信息，利用固有模态对结构损伤进行定位及定量评价要更加准确。通过比较实测结构的固有模态及未损模型的固有模态评价结构内部损伤程度，具有方法简单直观、精度好、效率高、成本低等特点。
[0031] 与现有技术相比，本发明至少包括如下有益效果：
[0032] （1）使用多个检波器构成检波器组，充分把握结构的整体损伤状况。
[0033] （2）无须激发震源，直接采集大地微小震动，对结构无不良影响。
[0034] （3）通过快速傅里叶变换（FFT）获得记录数据的频率特性曲线。
[0035] （4）通过定义刚度损失，对整体结构进行损伤定量评价。
附图说明
[0036] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0037] 图1为土木工程墙板结构损伤检测微动法示意图；
[0038] 图2为检波器安装示意图
[0039] 图3为实测波形图；
[0040] 图4为快速傅里叶变换结果图；
[0041] 图5为结构高度—振幅曲线；
[0042] 图6为结构高度—振幅比曲线；
[0043] 图7为三维有限元模型图；
[0044] 图8为未损模型模态图；
[0045] 图9为损伤定位剖面图；
[0046] 图10为损伤定量剖面图。
具体实施方式
[0047] 下面对本发明的实施例作详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0048] 在本实施例中，检测对象为厚度约0.75m的砖砌墙体结构，其砌筑方法沿高度不同且现有的损伤状态复杂，主要检测结构的整体损伤位置以及损伤程度。如图1和图2所示，具体按如下方式实施：
[0049] 首先根据结构砌筑特点及损伤情况在表面上不同高度不同水平位置设置多个检波器（两分量，垂直于墙体以及平行于墙体）。检波器使用固有频率4.5Hz的动圈式速度型检波器（弹性波勘探用检波器）；设置方法采用由设备固定在墙体表面；记录仪采用普通勘探用地震仪并关掉高截频滤波器。
[0050] 在检波器与记录仪连接完毕后，尽量排除测试点附近人为活动、各种动力源的干扰。设置采样间隔0.004s，连续采集150min。采集到的数据的波形图如图3所示。
[0051] 数据处理时首先用数字滤波滤掉10Hz以上的高频成分以消除周围各种人为及动力干扰，然后从150min微动观测数据中选取波形平稳的10组数据，每组数据时间带60s。
[0052] 频谱分析时首先对选取的每组数据通过快速傅立叶变换把时序信号变换为频率域信号，计算实测数据的傅立叶谱，对傅立叶谱加Hanning窗口10次，进行平滑化（Band=约0.1Hz）之后，对10组数据的傅立叶谱进行加权平均，就得到图4所示的傅立叶谱曲线。读取曲线中的峰值以及对应的振幅作为实测数据的卓越频率及振幅，直接把各卓越频率对应的振幅转换为图5所示的结构高度和振幅的对应关系。将各高度振幅与最下部观测点振幅相除并将最小部测点横轴平移至0点后，得到图6所示的结构高度和振幅比的对应关系。
[0053] 根据设计及施工等资料建立图7所示的未损结构三维模型，进行特征值计算，获得附图8所示的未损结构固有模态分布图。
[0054] 首先对比测试结果与相对应的计算结果的1、2、3阶模态分布，获得模态分布变化位置及变化量，展开于结构平面分布图中，得到图9所示的结构的损伤位置分布。
[0055] 本次测试将结构每个测试区域简化为3个自由度的体系。体系中的刚度k1、k2、k3为未知量，质量m1、m2、m3为已知常数，特征值ω及振型Y为已知测试结果，通过特征值计算（ ）可以得到刚度k1、k2、k3，其中 [M]为质量矩阵 Y为结构的振幅比，
[0056] 针对归一化处理后的微动测试固有模态及三维有限元计算模态分布，通过如下公式一计算损伤刚度Kobv，通过公式二计算未损刚度Kcal，定义刚度损失为 展开于结构平面分布图中，得到图10所示的结构损伤程度分布。
[0057] 公式一
[0058] 公式二
[0059] 其中，ωi是第i阶特征值，i=1,2,…,n， 是ωi通过测试得到的损伤结构特征向量， 是ωi通过计算得到的未损伤结构特征向量。
[0060] 数据可视化处理主要生成并显示了结构高度—振幅曲线、结构高度—振幅比曲线、结构损伤定位剖面图和结构损伤定量剖面图（图5~6、9~10）。
[0061] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
