基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的多層空間框架結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)

王磊

（哈爾濱哈飛工業(yè)有限責(zé)任公司風(fēng)電公司，黑龍江 哈爾濱 150066)

引言

工程結(jié)構(gòu)在使用過程中由于環(huán)境荷載等因素的作用，尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受較大的外來力（如地震和火災(zāi)）作用后，可能發(fā)生各種損傷，從而使結(jié)構(gòu)無法滿足使用功能的要求或使安全性降低。應(yīng)及時(shí)的對(duì)這類建筑物進(jìn)行損傷檢測(cè)與評(píng)估，判斷其健康狀況，并針對(duì)其損傷程度的不同提出相應(yīng)的保護(hù)和改善措施，減少和避免不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)，通過分步訓(xùn)練的方法可以很好的判斷多層空間框架結(jié)構(gòu)損傷的位置和程度，該方法還可應(yīng)用于對(duì)超高層以及多跨空間框架結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)。

1 模態(tài)分析理論

振動(dòng)問題的特征方程為：(K-ω2M)φ=0（1）其中K和M分別是整體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；φ為正則化振型；ω為固有頻率。假設(shè)損傷使結(jié)構(gòu)剛度或質(zhì)量矩陣產(chǎn)生了一個(gè)很小的攝動(dòng)量，則φ和ω產(chǎn)生了一個(gè)小的改變量，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)方程為：[（K+ΔK）-（ω2+Δω2）（M+ΔM）]（φ+Δφ）=0（2）

對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu)來說，損傷一般對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣產(chǎn)生較明顯的影響，而對(duì)質(zhì)量分布幾乎不產(chǎn)生影響，所以ΔM可看作為零。且對(duì)某個(gè)單純模態(tài)i（i=1,2，…）有：

對(duì)結(jié)構(gòu)的單個(gè)損傷單元N（N為損傷單元號(hào)），上式可化為：

引入單元損傷系數(shù)：

其中KNC是損傷后的單元?jiǎng)偠?，KN是未損傷的單元?jiǎng)偠龋?α=（1-αN）有：

式（6）表達(dá)了特征值的變化依賴于單元損傷的程度（α）和位置（單元N）。

2 數(shù)值模擬

所采用的八層空間框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及單元編號(hào)如圖1所示，框架結(jié)構(gòu)每一層長(zhǎng) 、寬 、每層高 ，各桿均為矩形截面，，密度 ，泊松比 ，彈性模量 。

圖1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)單元損傷造成的剛度減少通過單元彈性模量的減少來模擬。對(duì)于對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，對(duì)稱位置上相同程度的損傷，將引起結(jié)構(gòu)自振頻率相同的變化，直接根據(jù)頻率變化判定損傷位置將不可行，故分兩步來判斷結(jié)構(gòu)的損傷情況。先判斷出損傷桿件的類型、處于哪一層和損傷程度，然后再判斷具體的損傷位置。

表1 損傷工況：

第一步訓(xùn)練：利用ANSYS的APDL命令來實(shí)現(xiàn)并獲得各損傷情況下對(duì)應(yīng)的各階固有頻率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入層有6個(gè)單元，使用每一種損傷情況下對(duì)應(yīng)的前六階固有頻率作為輸入，中間包含一個(gè)隱含層，輸出層有三個(gè)單元，分別代表損傷所處的層數(shù)、梁柱類型（0代表梁，1代表柱）和損傷的程度。另外，通過ANSYS計(jì)算得到從桿1到桿64逐個(gè)破壞，破壞程度為隨機(jī)數(shù)的一組數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，共計(jì)64*9即576個(gè)訓(xùn)練樣本和64個(gè)檢驗(yàn)樣本。通過第一步訓(xùn)練得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以判斷出損傷處于哪一層、和梁或者柱損傷的類型和程度，但具體是哪個(gè)桿件損傷還需進(jìn)一步識(shí)別。

第二步訓(xùn)練：用 1，2，3，4 分別代表前后左右四根桿件。需要用來訓(xùn)練和檢驗(yàn)的各種損傷工況與第一步相同如表1。為了解決結(jié)構(gòu)對(duì)稱性問題，在每一層取一個(gè)節(jié)點(diǎn)共8個(gè)節(jié)點(diǎn)，同樣利用ANSYS的APDL命令來實(shí)現(xiàn)桿1到桿64從10%到90%各種破壞程度的逐次破壞，并獲得這8個(gè)節(jié)點(diǎn)在Y方向的第一階陣型和在X方向的第三階振型，目的是為了利用節(jié)點(diǎn)在Y方向和X方向的不同對(duì)稱性。第二步訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層有16個(gè)單元，中間包含一個(gè)隱含層，輸出層有一個(gè)單元，代表損傷的具體位置，即16輸入1輸出3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[9]。綜合兩步的結(jié)果便可得到損傷的確切位置和程度。

圖2 第一步訓(xùn)練情況

圖3 第二步訓(xùn)練情況(a)

圖4 第二步訓(xùn)練情況(b)

經(jīng)過兩步訓(xùn)練之后，得到所需的全部3個(gè)網(wǎng)絡(luò)。使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)先把待檢驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以得出損傷位置在哪一層、損傷的類型和程度，然后根據(jù)第一步的結(jié)果再把檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分為梁損傷和柱損傷兩種情況帶入對(duì)應(yīng)的具體位置檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（a）或者是（b），綜合兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果便可得出確切的損傷位置和程度。這樣的分步檢測(cè)方法可以解決結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性問題，可以應(yīng)用于多跨框架結(jié)構(gòu)，也可以應(yīng)用于多至上百層的空間框架結(jié)構(gòu)。

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