基于振動(dòng)測(cè)試的鋼橋裂縫損傷檢測(cè)試驗(yàn)研究

李曰兵，姜智文，劉少洋，孔宏艷

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300;3.吉林省農(nóng)電有限公司白山城郊分公司，吉林 白山 134300)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，許多工程結(jié)構(gòu)正向著大型化、復(fù)雜化方面發(fā)展，如空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、超高層建筑、海上平臺(tái)等。結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，由于受氣候、環(huán)境因素以及人為因素的影響，不可避免地出現(xiàn)不同程度的損傷。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部損傷，可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞乃至坍塌，后果不堪設(shè)想。此外，結(jié)構(gòu)的老化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、剛度退化，這也可以看作是結(jié)構(gòu)的一種損傷，對(duì)老化結(jié)構(gòu)的維修與加固所需的費(fèi)用也是驚人的。由此可見(jiàn)，由于結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的后果不但會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，而且會(huì)對(duì)人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、定位結(jié)構(gòu)的損傷并對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和人身安全都具有十分重要的影響。為了確保結(jié)構(gòu)使用的安全性和耐久性，通過(guò)一定的檢測(cè)手段和方法對(duì)結(jié)構(gòu)的健康水平進(jìn)行評(píng)估，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)研究課題。損傷監(jiān)測(cè)技術(shù)是一門(mén)新興的多學(xué)科前沿知識(shí)相交叉的學(xué)科[1]。

結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會(huì)引起其剛度、質(zhì)量、約束條件等物理屬性的改變，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)如阻尼系數(shù)、固有振動(dòng)頻率、振型等的改變。也就是說(shuō)，振動(dòng)特性能夠表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，通過(guò)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)、分析振動(dòng)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)重要結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷，并進(jìn)一步確定損傷的發(fā)生位置[2]?；趯?duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集和分析，能應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)并易于實(shí)現(xiàn)智能在線監(jiān)測(cè)的健康監(jiān)測(cè)理論與試驗(yàn)方法得到了較快的發(fā)展。這一檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不但能夠檢測(cè)到結(jié)構(gòu)表面的損傷，而且能夠檢測(cè)到大型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，并便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，節(jié)約很多的人力物力。

本文以某廢棄鐵路線的小型鋼橋?yàn)樵嚰?，開(kāi)展人工激振試驗(yàn)，研究通過(guò)振動(dòng)響應(yīng)模態(tài)參數(shù)變化檢測(cè)并定位鋼橋主梁裂縫損傷的方法。

1 原 理

在相同外界條件下，利用相同激振波對(duì)橋梁同一位置激振，裂縫損傷產(chǎn)生后，鋼橋的剛度發(fā)生變化，并導(dǎo)致橋身各點(diǎn)的加速度反應(yīng)發(fā)生變化，但各點(diǎn)的改變幅度和比例不同，與損傷的位置和程度密切相關(guān)。利用積層壓電驅(qū)動(dòng)器激振橋身，通過(guò)分布在橋身上的傳感器采集加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比橋身不同點(diǎn)位的加速度反應(yīng)功率譜密度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁損傷的檢測(cè)與定位。

結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)為時(shí)域信號(hào)，雖在數(shù)據(jù)采集瞬間即可知信號(hào)的幅值，但如果將信號(hào)由時(shí)域表示改用頻域表示，可以更加深刻的洞察信號(hào)以及產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)特征。這種轉(zhuǎn)變通常采用基于高速傅里葉變換的計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)[3，4]。

假設(shè)某一連續(xù)時(shí)域x(t)，定義域?yàn)閇0，T]，則傅立葉譜轉(zhuǎn)換X(f)為:

式中各參數(shù)均采用工程單位(EU)，如m/s2、g。功率譜為:

式中，* 表示復(fù)共軛，單位為(EU)2。功率譜密度為:

1.投資公司應(yīng)該高度重視自身的風(fēng)險(xiǎn)管理工作，構(gòu)建完善的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系。決策層的管理人員必須具備極強(qiáng)的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)和管理水平，在工作中擁有極高的警惕性，能夠準(zhǔn)確分析企業(yè)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和的存在風(fēng)險(xiǎn)的部分。

式中，E[ ]表示某一頻段f的n次樣本均值。

用 Gi(f)(f)分別表示損傷前、后f頻段的功率譜密度值，則該頻段加速度反應(yīng)功率譜密度(PSD)變化量為:

按一定頻率范圍分割加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)成m段，記為f1～fm，各加速度傳感器在不同頻段的功率譜密度變化值用矩陣表示為:

式中:n為加速度傳感器編號(hào);m為某一頻率段數(shù)據(jù)編號(hào)。

則(5)矩陣中各列元素表示同一頻率、不同位置加速度傳感器的PSD變化量，由損傷導(dǎo)致的各傳感器的PSD變化值可表示為:

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)置

2.1 系統(tǒng)組成

基于振動(dòng)測(cè)量的損傷檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)由激振部和加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)采集部?jī)纱蟛糠纸M成，系統(tǒng)組成及儀器型號(hào)如圖1所示。激振部由信號(hào)發(fā)生器、放大器、壓電激振器組成。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器設(shè)置激振波形、時(shí)間、頻率等激振波參數(shù)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大激振信號(hào)，驅(qū)動(dòng)壓電激振器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼橋激振。加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)采集部由壓電加速度傳感器、雙頻道信號(hào)增幅器、端子臺(tái)、A/D變換卡、及裝有加速度數(shù)據(jù)采集軟件LabView的筆記本電腦組成[5]。

2.2 試件與儀器布置

試驗(yàn)用小型鋼橋全長(zhǎng)3550 mm、寬1168.4 mm、高406.4 mm，由2根焊接工字鋼主梁、4根槽鋼橫梁組成，該橋建于1909年，2006年鐵路線廢止后用于損傷檢測(cè)研究。由于試件原址偏僻，開(kāi)展振動(dòng)實(shí)驗(yàn)比較困難，所以將試件運(yùn)到郊區(qū)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)后，簡(jiǎn)支于兩根枕木上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖2。

激振位置為I形主梁跨中腹板中心內(nèi)側(cè)，見(jiàn)圖3。在激振側(cè)主梁的腹板外側(cè)設(shè)置8個(gè)加速度傳感器(Ch1～Ch8)，傳感器布置及編號(hào)見(jiàn)圖4、圖5，傳感器ch5與激振器分別位于主梁腹板同一位置的內(nèi)外兩側(cè)。

2.3 損傷工況

3 試驗(yàn)方法

在試件的健全與損傷5種工況下，每工況進(jìn)行5次激振試驗(yàn)，加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)分別記為:D00_1、D00_2…D0_5…D10_1…D13_1…D13_5，即共有15條加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)。

設(shè)置激振波形為正弦掃頻Sweep波，激振時(shí)間18 s，激振頻率1 Hz～700 Hz;設(shè)置信號(hào)放大器電壓100 V，為保證實(shí)驗(yàn)人員安全及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，信號(hào)放大器接地;設(shè)置加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)采集軟件Labview參數(shù)為讀數(shù)頻率1600 Hz、采集時(shí)間20 s，同時(shí)設(shè)置各加速度傳感器校正系數(shù)。在采集加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)采集開(kāi)始時(shí)間應(yīng)稍早于激振開(kāi)始時(shí)間，以保證采集數(shù)據(jù)的完整性。為避免儀器拆裝對(duì)激振力與加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不拆除激振器與傳感器，直至實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束。

4 試驗(yàn)結(jié)果

篇幅所限，以Case0和Case13為例分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.1 加速度反應(yīng)

健全工況Case0和損傷Case13下，傳感器Ch5的加速度反應(yīng)波形見(jiàn)圖7。

4.2 加速度反應(yīng)功率譜密度

圖7中加速度反應(yīng)波形經(jīng)快速傅立葉變換得加速度反應(yīng)功率譜密度曲線見(jiàn)圖8。

損傷前后各加速度傳感器的功率譜密度變化值見(jiàn)圖9。

4.3 損傷位置預(yù)測(cè)

損傷位置預(yù)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)圖10。

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探索了通過(guò)振動(dòng)測(cè)量進(jìn)行鋼橋裂縫損傷識(shí)別與定位的途徑。通過(guò)圖9、10可得出如下結(jié)論:

1)裂縫損傷產(chǎn)生后各傳感器PSD變化值發(fā)生了較大變化，由此可知損傷的發(fā)生;

2)相同工況下各次實(shí)驗(yàn)之間的PSD變化值的微小變化是由噪音等的環(huán)境變化引起的;

3)不同位置的加速度反應(yīng)功率譜密度變化不同;

4)根據(jù)損傷位置預(yù)測(cè)指標(biāo)圖，判斷裂縫損傷發(fā)生在傳感器ch6附近，與實(shí)際情況相符。

[1]高維成，劉偉，鄒經(jīng)湘.基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)變化的損傷探測(cè)方法綜述[J].振動(dòng)與沖擊，2004，23(4):1－7.

[2]Beskhyroun S，Oshima T.A numerical analysis of structural damage detection using changes in the curvature of power spectral density[J].Journal of Structural Engineering，2005，51A(3):38 －49.

[3]李昕宇，山崎智之，三上修一等.RC構(gòu)造欠陥検出のための局部振動(dòng)実験及び數(shù)値シミュレーション[C].日本.土木學(xué)會(huì)北海道支部論文報(bào)告集，2009，65(A －20):35－38.

[4]Beskhyroun S，Oshima T，et al.Damage detection and localization on structural connections using vibration － based damage identification methods[J].Journal of Applied Mechanics，2003，.6(8):1055 －1064.

[5]Oshima T，et al.Study on damage evaluation of joint in steel member by using local vibration excitation[J].Journal of Applied Mechanics，2002，5(5):837 －846.