迷你评论文章

前面。建立环境。,09 January 2023
秒。地震工程
卷8 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fbuil.2022.1065912

砌体结构的模态测试结构健康监测地面雷达干涉测量法:一个迷你回顾

多梅尼科Camassa ¹*,

尼科洛Vaiana ²和

安娜可以见到效果 ³

¹土木工程学系和架构,理工大学的巴里,巴里,意大利
²部门结构工程和建筑,那不勒斯大学费德里科•II,那不勒斯,意大利
³力学、数学、管理、理工大学的巴里,巴里,意大利

模态测试是最有效的实验技术的结构健康监测的砌体结构,因为它提供了有用的信息结构模型的校准和结构损伤的评估。然而,应用模态测试,以砌体结构有时阻碍了传统试验装置的复杂性,通常是基于传感器接触。为了克服这个问题,一些研究人员正在探索地面雷达干涉测量法的应用,这是一个越来越流行的远程监测位移和振动测量技术的结构。考虑到最近越来越多的关于这个话题的文章,在这里,我们提出一个迷你回顾最重要的作品处理地面雷达干涉测量法的应用对砌体结构的模态测试。特别是,我们显示当前状态的艺术和突出的主要研究空白的目的评估地面雷达干涉测量的有效性的这些建筑的结构健康监测。我们的迷你审查主要是针对工程师和科学家们已经知道模态测试和雷达干涉测量技术和砌体结构的特定应用程序感兴趣。

1介绍

历史砌体结构代表了最广泛的建筑和文化遗产的我们的领土。由于易受伤害,砌体结构必须保存和维护。适当的保护和恢复干预措施需要合适的调查程序(Binda et al ., 2000),主要包括非破坏性技术(Carpinteri et al ., 2007;拉莫斯et al ., 2010 a;可以见到效果et al ., 2015;可以见到效果et al ., 2016;Camassa et al ., 2019;Camassa et al ., 2020;Pallares et al ., 2021)。其中,模态测试的非常吸引人的特征是监测全球反应的结构。这个实验技术提供了一个结构的模态特性(固有频率、模式形状、模态阻尼比)通过测量和分析结构振动由于外部负载(Salawu和威廉姆斯,1995年;此人,文图拉,2003年;Ivorra Pallares, 2006;拉莫斯et al ., 2010 b;莎娃et al ., 2013)。

结构振动测量通常是通过接触传感器(例如,加速度计)。尽管这些传感器的测量精度高,安装结构是费时,需要完整的访问结构。这些问题常常阻碍对砌体结构的应用模态测试,并鼓励非接触式传感技术的发展。一个有前途的、日益流行的地面雷达干涉测量技术,或更简单的雷达干涉测量。

雷达干涉测量法利用back-reflected微波信号的相位信息检测的小位移和振动结构在很远的地方。它的工作原理已经彻底描述的几个作品(Gocałet al ., 2013;Pieraccini 2013;Pieraccini Miccinesi, 2019)。雷达干涉测量源于空间技术,鼓励发展的便携式传感器远程监控民用建筑。在开创性的作品(Tarchi et al ., 1997;1999年;法勒et al ., 1999;Pieraccini et al ., 2000;2003年),商业系统已经正确设计结构的静态和动态测试(犹太和非Bernardini, 2010;Diaferio et al ., 2017)。主要应用关注桥梁、塔、风力涡轮机、水坝、和建筑物。与加速度计相比,干涉雷达是快速和易于安装并且不需要访问结构。然而,它仍然显示了一些缺点主要与大气影响,出现杂波,跳跃阶段,宽带噪声,位移沿视线方向和投影(米歇尔·凯勒,2021)。

一些研究人员探索的可能性使用干涉雷达系统监测砌体结构的动态行为。主要应用关注石塔和桥梁的模态测试。此外,最近的一个有前途的应用问题的动态识别在领带棒拉伸力(Gioffre et al ., 2017;Camassa et al ., 2021)。

这里我们讨论一些有意义的工作就业的研究砌体结构的模态测试的雷达干涉测量技术。特别是,我们探索的能力估计固有频率和振型突出结构健康监测的有前途的有效性(SHM)砌体结构和主要实验和理论问题,也概述了可能的研究方向来增强该应用程序。

2自然频率的识别

在砌体结构单孔位微吹气扰动,固有频率的估计是非常重要的对结构模型的校准和损伤评估。结构的固有频率是全球性的属性,原则上,不依赖于测量的点(节点点除外),但只有在测量精度。干涉雷达是一种设备,可以提供一个良好的位移精度确定没有观察到的明显位置点(Gocałet al ., 2013);因此,它特别适合确定结构的固有频率。

几个研究人员探索的能力识别石塔(即的自然频率。,贝尔塔和公民塔)和圬工桥雷达干涉测量。在(Fratini et al ., 2011)的自然频率的圆顶的洗礼堂圣乔凡尼(意大利佛罗伦萨)特征。至于塔,固有频率的估计已经被证明是准确的传统加速器;然而,一个轻微的频移已经观察到(Castagnetti et al ., 2019)。所示表1,与前两个弯曲模式相关的频率(以及正交方向)通常发现。只有五个频率估计(Calcina et al ., 2016)。至于桥梁,(Pieraccini et al ., 2019)五个固有频率测定非常细长的桥梁。据我们所知,没有任何关于此话题的文章在文献证明估计更高频率的可能性。

表1

表1。总结回顾了论文相关的砌体结构的模态测试雷达干涉测量。

射频识别的可靠性主要取决于信噪比(信噪比)获得的位移信号,这是相关的测量精度干涉雷达和雷达视线分量的大小位移观测的点。此外,识别算法可能发挥着基础性的作用自然频率的估计。在这里,我们将讨论一些基本的关键概念在这些方面关注动态激励和识别算法。

干涉雷达的准确性主要取决于调查的回声接收的信噪比目标(热信噪比)。是热的信噪比越高,更好的测量精度。砌体结构,然而,由于低反射率和反射电磁波的有限存在“角区”(犹太和非Saisi, 2012;2014年)。提高热信噪比、短程测量应该优先(Pieraccini et al ., 2009)。另一个可能的战略担忧的安装角反射器的结构(Pepi et al ., 2017)。然而,这种解决方案需要访问结构,减少了非常吸引人的特性的非接触式监测雷达干涉测量。

观察到的点的位移的大小可以通过适当地设置收购的几何或增加提高动态激励。的几何关系获取和视线位移的大小可以通过简单的投影操作(米歇尔·凯勒,2021)。讨论动态激励需要更深层次的考虑。

2.1动态激励

对砌体结构的动态激励,通常有一个相当大的历史和艺术价值,运行模态分析(OMA),它只涉及环境负荷(风、车辆和行人通行),被认为是最合适的模态测试技术因为它不造成任何损害的风险。几个作品利用环境负荷为模态测试雷达干涉测量塔(Atzeni et al ., 2010)和桥梁(Camassa et al ., 2022)。无论如何,取决于结构的质量和刚度,自然励磁的可能导致非常低的结构振动,从而导致较低的雷达信号信噪比。在这里可以使用人工加载。主要应用在文献中关注“随机”冲动和稳态加载产生的运动的人或监控的操作结构(贝尔塔钟声,列车通过铁路桥梁)。侵入性人工设备(vibrodynes、瓶等)生成结构振动一般不用于砌体结构,因为他们可能造成损害,尤其是在已经损坏的建筑。

受迫振动引起的协调运动的人被证明能有效地提高雷达信号的信噪比。在(马尔基西奥et al ., 2014),一个好对应的固有频率之间的比萨斜塔(意大利)估计在环境和强制加载条件下被发现;此外,在人工负载下雷达信号测量是更多的常规和平滑,和最大振幅高达30倍的环境条件。运动的人也被用来作为激励源的历史单拱桥拱桥(Pepi et al ., 2017)。环境振动试验没有提供任何重要的结果由于非常低水平的振动;恰恰相反,两个固有频率的估计从强迫振动的桥梁。

石塔的钟声已经被证明是有效的提高测量信号的信噪比。一些作者显示相关联的动态响应的摇摆钟环境载荷下四倍(Saisi et al ., 2016)。至于铁路圬工桥,一个有效的人工动载荷问题通过火车Pieraccini et al ., 2019)。

上述人工加载能够诱导比环境载荷和较大的振动,因此,提高信噪比的位移信号的干涉雷达。因此,使用这些请求通常是鼓励。然而,在我们看来,一些关键问题,往往被忽视,应考虑。

协调运动的人可能违反OMA的假设方法。运动应该近随机和非平稳;否则,可能出现运动的节奏的光谱测量位移,可以混合结构的频率。钟声是一个周期性的激励,频谱不同宽带白噪声(OMA方法假设)。因此,一些自然频率不够兴奋,可以检测到的光谱测量位移;此外,铃铛振荡的频率可以出现在光谱,如(Pieraccini et al ., 2005;2009年),可能会被误解为塔的固有频率。为了避免后者问题,进一步的研究可以探讨策略区分铃铛振荡的频率与结构的。可能的解决方案可能包括谐波检测算法的应用。另外,只有自由衰减的铃铛可能引起的结构振动监测。关于列车铁路通道的圬工桥,它应该考虑火车有一个相当大的质量对结构的质量。因此,所示(Pieraccini et al ., 2019),频率下降应该预期。

最后,当人工加载用于获得一个可靠的固有频率估计,砌体结构的非线性行为应该也会考虑。砌体结构一般展览,即使在小范围的菌株,振幅依赖效应,导致频率下降当振动振幅的增加(米歇尔et al ., 2011;犹太和非Saisi, 2013;Martakis et al ., 2021;2022年)。频率下降是至关重要的信息结构监测和损伤的早期预警(犹太和非Saisi, 2013)。然而,据我们所知,频率下降已经被干涉雷达调查发现只有在(Saisi et al ., 2016)。

2.2识别方法

虽然人工负荷可以提高了信号的信噪比,在许多情况下,纯粹的环境负荷只。例如,结构无法访问,没有内部的振动源(铃铛,移动负载等)只能对风能和周边地区的车辆和行人通行。在这种情况下,适当的信号处理和识别技术的应用可能发挥重要作用。

识别程序应用的文献主要关注在频域方法。在第一个应用程序(Pieraccini et al ., 2009),固有频率的石塔估计获得信号的离散傅里叶变换(DFT)计算通过使用快速傅里叶变换(FFT)算法。环境振动,然而,通常被认为是随机过程。在随后的作品,例如,(Atzeni et al ., 2010),更高级的分析环境振动应基于OMA的应用合适的方法,通常需要计算功率谱密度(PSD)函数在频域或时域相关函数(CF)。

一些作者应用峰值挑选(PP)方法和频域分解(FDD)方法(表1),这都是基于PSD的功能。由于雷达信号在低信噪比环境振动低,PSD应该基于方法的评估能够减少噪音信号,如韦尔奇的方法。此外,识别方法能够拒绝噪音(例如,FDD方法)应该优先。很少有研究探讨了应用程序在时域的方法(可以见到效果et al ., 2022)或在联合时频域(Pieraccini et al ., 2007;Fratini et al ., 2011;Pieraccini 2017)。

应该指出,在文献回顾,行之有效的识别方法应用于雷达信号。改善自然频率的估计,进一步的研究应深入解决的应用更先进的方法(在任何域),考虑到雷达信号的主要特征和砌体结构的力学行为(例如,振幅依赖效应)。特别是,健壮的方法的应用程序能够处理低信噪比信号测量的非线性结构,如CoS-SSI (刘et al ., 2019)方法,应该探索。此外,比较研究应该由应用不同的动态识别方法在相同的案例研究。

3形状重建模式

与固有频率相反,一个完整的重建模式砌体结构的形状需要信息测量的位置点和测量的观测的三维位移矢量点。干涉雷达不提供观察到的点的确切位置和位移的视线方向正交。因此,雷达干涉测量有固有的局限性决定的三维位移向量和全三维的模式形状砌体结构。然而,模式形状信息是至关重要的结构性模型的校准和损伤的识别。

第一个研究来评估操作偏转的砖石塔的振动下自己的铃铛所示(Pieraccini et al ., 2005)。更标准的方法对于识别的应用模式形状(比萨斜塔是探索的Atzeni et al ., 2010)。作者能够识别两个紧密间隔的弯曲模式的正交平面塔通过应用FDD的方法。

因为干涉雷达只提供一个目标的视线位移,这些研究都是基于运动假设的可能位移监测结构。没有这样的假设,只有模式形状沿视线方向上的投影。然而,运动的假设只能应用于一些类型的结构,因为在一般情况下,结构的有效运动是未知的。

一些作者提出了一系列的解决方案重建整个目标的位移矢量。除了一个方法能够检测纵向和扭转运动的部分桥梁使用干涉雷达(一些et al ., 2009),其他的解决方案都是基于使用多个干涉雷达传感器或双基地雷达系统(Michelini骑绝尘,2017;Monti-Guarnieri et al ., 2018;Miccinesi et al ., 2021;米歇尔·凯勒,2021;Olaszek et al ., 2021)。

估计位移向量的能力,然而,并不直接意味着能够重建完整的三维形状的大型和复杂的砌体结构模式。事实上,这将是必要的测量结构的振动与多个干涉雷达传感器从不同的观点,因此,在不同的收购(图1)。通过运用OMA的方法,可以获得部分从每个采集三维的模式形状(即。,mode shapes related to the degrees of freedom of the structure that are monitored in that acquisition), as shown in (可以见到效果et al ., 2022)。然而,由于OMA方法提供任何范围模式形状(Rainieri Fabbrocino, 2014),部分模式形状估计在不同收购不能聚集在full模式结构的形状。这是一个主要的限制使用雷达干涉测量的砌体结构的动态测试。进一步的研究开发特别的砌体结构的方法重建模式的形状可能会导致一个伟大的进步在这个应用程序中。

图1

图1。不同的并购应与多个干涉雷达系统重建完整的砌体结构的三维模式形状(S1、S2和S3表示雷达位置;灰色的三角形代表视图的锥的干涉雷达系统)(可以见到效果et al ., 2022)。

4讨论和未来的观点

从以前的文献综述,我们评估雷达干涉测量的优势可以使单孔位微吹气扰动的砌体结构。我们讨论的可能性,使用模态属性估计从干涉雷达测量的校准结构模型(模型更新)和结构评估。

关于模态属性的估计,干涉雷达测量可以估计第一个弯曲模式的固有频率和模式的投影形状沿视线方向。一般来说,更高的自然频率和形状可以获得完整的三维模式。模态阻尼比的估计不是探索在文献中,虽然能量耗散的信息可以用于损伤诊断(Ivorra et al ., 2020)。

在模型更新,不确定的力学参数通常被最小化理论和实验模态行为之间的区别。良好的更新可以通过只考虑低固有频率(Calcina et al ., 2016;可以见到效果et al ., 2018)。更准确的结果也可能是通过考虑模式形状(犹太和非Saisi, 2007),但是不能完全估计雷达干涉测量。

至于结构评估,应该首先注意到,一般来说,结构损伤是一种局部现象。因此,最有用的模态属性损伤表征高固有频率和振型,因为它们包含本地信息(Doebling et al ., 1998;风扇和乔,2011年)。恰恰相反,较低的频率不是很敏感的局部破坏,因为他们是全局属性结构。然而,基频信息仍然可以用来检测损伤影响整个结构,如地震造成的损害(Calcina et al ., 2013)或基金会定居点(可以见到效果et al ., 2021)。

最后,这些因素表明,干涉雷达可以有效地用于执行提示对砌体结构动态测试,尤其是在地震后紧急情况如控制(Saisi et al ., 2016;Saisi和外邦人,2020年)。在这个紧要关头,迅速和相貌平平方法,提出了(Pieraccini et al ., 2014),可以提供pre-diagnostic信息可能会建议深入调查与传统传感器接触。然而,有消息称,到目前为止,干涉雷达没有提供足够的信息来进行全面的结构监测的砌体结构。

加强这个应用程序,在我们看来,未来的研究应该面向两个可能的方向。一个研究线应该旨在克服局限,走出这个迷你回顾,特别注重更高频率的识别和重建full模式的形状。另一个研究方向可能包括雷达干涉法与物联网的集成(物联网)设备和卫星InSAR数据(Selvakumaran et al ., 2020;Scuro et al ., 2021)。

作者的贡献

所有作者的概念和知识框架的审查,准备文献回顾和手稿的初稿。所有作者阅读和批准提交的版本。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

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引用

Atzeni C。,Bicci, A., Dei, D., Fratini, M., and Pieraccini, M. (2010). Remote survey of the leaning tower of Pisa by interferometric sensing.远程参议员列托人IEEE地球科学。7,185 - 189。doi: 10.1109 / LGRS.2009.2030903