基于振動監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究

唐鈺昇，申新凱

(重慶市交通工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶　400064)

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基于振動監(jiān)測的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究

唐鈺昇，申新凱

(重慶市交通工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶400064)

摘要：橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別是橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的核心，結(jié)構(gòu)振動模態(tài)的變化能夠直接反應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)損傷的程度，分析提出基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)變化率作為橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別指標(biāo)，從而識別結(jié)構(gòu)的損傷程度以及損傷位置。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)損傷；振動；方差

1建立分析模型

為得到合適的判定指標(biāo)來對結(jié)構(gòu)的損傷進(jìn)行識別，下面以單自由度系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行敏感性的分析。

根據(jù)結(jié)構(gòu)隨機振動理論，對應(yīng)系統(tǒng)為單自由度是其輸入干擾和結(jié)構(gòu)做出的響應(yīng)可以看作是隨機過程，則單自由度系統(tǒng)的隨機運動方程可以表示為

式中，X為系統(tǒng)對干擾做出的隨機響應(yīng)；ξ為系統(tǒng)阻尼比；ω0為系統(tǒng)的固有頻率；Fi(t)為系統(tǒng)獲的隨機干擾。通過度哈密計算可以得到系統(tǒng)在隨機干擾作用下加速度、速度、位移方差

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

一般來講，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后主要改變的是剛度，而結(jié)構(gòu)是質(zhì)量改變量很小，故在對結(jié)構(gòu)損傷分析時也不考慮結(jié)構(gòu)質(zhì)量改變對損傷的影響。在此僅由剛度的改變來識別結(jié)構(gòu)的損傷，這也是現(xiàn)在許多損傷識別方法所采用的假設(shè)。所以分析結(jié)構(gòu)對剛度變化做出的響應(yīng)，從而根據(jù)獲得結(jié)構(gòu)損傷對加速度、速度、位移的敏感程度。

從上式可以看出，速度方差是與結(jié)構(gòu)剛度無關(guān)的物理量；加速度和位移的方差是與結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)的物理量，位移方差與結(jié)構(gòu)剛度是反函數(shù)的關(guān)系，加速度方差與結(jié)構(gòu)剛度成線性關(guān)系。故從數(shù)學(xué)函數(shù)意義上來分析，位移方差的變化受結(jié)構(gòu)剛度變化的影響比加速度方差變化受結(jié)構(gòu)剛度變化的影響大，從統(tǒng)計學(xué)上方差的意義來說，結(jié)構(gòu)損傷后外界隨機激勵下獲得的位移響應(yīng)數(shù)據(jù)比加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)的離散的程度變化大。故在分析的基礎(chǔ)上，提出基于結(jié)構(gòu)振動加速度方差的變化速率作為損傷指標(biāo)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別理論。

2基于不同損傷橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)仿真分析

2.1荷載相同速度不同

當(dāng)同一車輛以不同速度(100 t的車輛分別以50、70、80、100、140 km/h速度)通過橋梁結(jié)構(gòu)時，獲取主跨跨中的豎向位移及加速度和距跨中最近的索的索力，擬驗證上一節(jié)提出的基于結(jié)構(gòu)加速度方差的變化率作為指標(biāo)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別理論，分析工況如表1所示。

表1　分析工況

圖1　結(jié)構(gòu)位移、加速度方差變化率與結(jié)構(gòu)損傷關(guān)系對比圖

2.2荷載不相同速度相同

當(dāng)同不同噸位車輛以相同速度(55 t、80 t、100 t、120 t、150 t的車輛以60 km/h速度)通過橋梁結(jié)構(gòu)時，獲取主跨跨中在荷載移動歷程中的豎向最大位移及最大加速度，分析計算擬驗證上一節(jié)提出的基于結(jié)構(gòu)位移方差的變化率作為損傷指標(biāo)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷識別理論的可行性，分析工況如表2所示。

表2　分析工況

圖2　結(jié)構(gòu)位移、加速度方差隨結(jié)構(gòu)剛度變化關(guān)系對比圖

2.3基于不同損傷位置結(jié)構(gòu)仿真分析

上面均是針對同一損傷位置進(jìn)行的仿真分析，這一節(jié)將對結(jié)構(gòu)不同損傷位置進(jìn)行分，相同工況下相同損傷的樣本為結(jié)構(gòu)在隨機荷載干擾下豎向振動。假定：4#墩邊跨跨中單元為1#單元，主跨跨中單元為2#單元，5#墩邊跨跨中為3#單元。

分析工況如下。

仿真分析，對分析數(shù)據(jù)處理后得到1、2、3單元不同損傷程度下4#墩邊跨跨中、主跨跨中、5#墩邊跨跨中加速度方差變化速率見圖3~圖5。

表3　仿真分析工況

圖3　不同損傷程度下4#墩邊跨跨中位移方差變化速率

圖4　不同損傷程度下主跨跨中位移方差變化速率

圖5　不同損傷程度下5#墩邊跨跨中位移方差變化速率

根據(jù)圖1、圖2可以得到，在結(jié)構(gòu)發(fā)生相同損傷時，加速度方差可以準(zhǔn)確的識別結(jié)構(gòu)損傷的程度；圖3~圖5可以得到，故損傷位置可以通過此種方法識別出來。

從上述分析可以看出將位移方差變化率作為結(jié)構(gòu)損傷識別指標(biāo)是切實可行的。

3基于加速度的某橋損傷識別

根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用、準(zhǔn)確性及能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，本監(jiān)測系統(tǒng)采用加速度傳感器對某斜拉橋進(jìn)行實時監(jiān)測。全橋共布置了主塔、鋼箱梁測點，共布置26個測點。具體布置如圖6所示。

對橋梁投入運營后一段時間內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)

的加速度的方差。初始數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)應(yīng)具有代表性。再取另一時間段內(nèi)的加速度方差組成另個數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到相應(yīng)的加速度方差，對兩數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，從而判斷結(jié)構(gòu)損傷情況。

圖6　加速度監(jiān)測測點布置圖

4結(jié)語

在已有結(jié)構(gòu)損傷識別方法研究的基礎(chǔ)上，提出基于結(jié)構(gòu)加速度方差變化率作為結(jié)構(gòu)損傷識別指標(biāo)，從實際工程的限元模擬分析可以看出，結(jié)構(gòu)加速度方差變化率變化隨損傷程度及位置的變化明顯。研究表明采用結(jié)構(gòu)加速度方差變化率作為結(jié)構(gòu)損傷識別是切實可行的。這種損傷識別指標(biāo)在某大橋運營監(jiān)測系統(tǒng)中得到實施。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐君蘭. 大跨度橋梁施工控制[M].人民交通出版社,2000.

[2]向中富. 橋梁施工控制技術(shù)[M].人民交通出版社, 2001.

The research of bridge structural damage recognition method based on vibration monitoring

TANG Yu-sheng, SHEN Xin-kai

(Chongqing City Traffic Engineering Quality Testing Co.， Ltd.， Chongqing 400064,China)

Abstract:Structural damage identification bridge is the core of the bridge structure safety monitoring system. Changes in the structure of the strain can bring a direct response to the extent of damage to the bridge structure. The analysis presented in this paper based on the strain rate changes in the structure as a bridge structure damage identification index, which damage the structure of the process to identify and damage location

Keywords:structural damage;vibration;variance

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)01-0070-03

作者簡介：唐鈺昇(1978-)，男，重慶長壽人，從事橋梁檢測加固設(shè)計。

收稿日期：2015-10-29