基于振动监测的桥梁结构损伤识别方法研究
2016-04-12唐钰昇申新凯
唐钰昇,申新凯
(重庆市交通工程质量检测有限公司,重庆 400064)
基于振动监测的桥梁结构损伤识别方法研究
唐钰昇,申新凯
(重庆市交通工程质量检测有限公司,重庆400064)
摘要:桥梁结构损伤识别是桥梁结构安全监测系统的核心,结构振动模态的变化能够直接反应桥梁结构损伤的程度,分析提出基于结构振动模态变化率作为桥梁结构损伤识别指标,从而识别结构的损伤程度以及损伤位置。
关键词:结构损伤;振动;方差
1建立分析模型
为得到合适的判定指标来对结构的损伤进行识别,下面以单自由度系统对结构损伤进行敏感性的分析。
根据结构随机振动理论,对应系统为单自由度是其输入干扰和结构做出的响应可以看作是随机过程,则单自由度系统的随机运动方程可以表示为
式中,X为系统对干扰做出的随机响应;ξ为系统阻尼比;ω0为系统的固有频率;Fi(t)为系统获的随机干扰。通过度哈密计算可以得到系统在随机干扰作用下加速度、速度、位移方差
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
一般来讲,结构出现损伤后主要改变的是刚度,而结构是质量改变量很小,故在对结构损伤分析时也不考虑结构质量改变对损伤的影响。在此仅由刚度的改变来识别结构的损伤,这也是现在许多损伤识别方法所采用的假设。所以分析结构对刚度变化做出的响应,从而根据获得结构损伤对加速度、速度、位移的敏感程度。
从上式可以看出,速度方差是与结构刚度无关的物理量;加速度和位移的方差是与结构刚度相关的物理量,位移方差与结构刚度是反函数的关系,加速度方差与结构刚度成线性关系。故从数学函数意义上来分析,位移方差的变化受结构刚度变化的影响比加速度方差变化受结构刚度变化的影响大,从统计学上方差的意义来说,结构损伤后外界随机激励下获得的位移响应数据比加速度响应数据的离散的程度变化大。故在分析的基础上,提出基于结构振动加速度方差的变化速率作为损伤指标来进行结构损伤识别理论。
2基于不同损伤桥梁结构响应仿真分析
2.1荷载相同速度不同
当同一车辆以不同速度(100 t的车辆分别以50、70、80、100、140 km/h速度)通过桥梁结构时,获取主跨跨中的竖向位移及加速度和距跨中最近的索的索力,拟验证上一节提出的基于结构加速度方差的变化率作为指标来进行结构损伤识别理论,分析工况如表1所示。
表1 分析工况
图1 结构位移、加速度方差变化率与结构损伤关系对比图
2.2荷载不相同速度相同
当同不同吨位车辆以相同速度(55 t、80 t、100 t、120 t、150 t的车辆以60 km/h速度)通过桥梁结构时,获取主跨跨中在荷载移动历程中的竖向最大位移及最大加速度,分析计算拟验证上一节提出的基于结构位移方差的变化率作为损伤指标来进行结构损伤识别理论的可行性,分析工况如表2所示。
表2 分析工况
图2 结构位移、加速度方差随结构刚度变化关系对比图
2.3基于不同损伤位置结构仿真分析
上面均是针对同一损伤位置进行的仿真分析,这一节将对结构不同损伤位置进行分,相同工况下相同损伤的样本为结构在随机荷载干扰下竖向振动。假定:4#墩边跨跨中单元为1#单元,主跨跨中单元为2#单元,5#墩边跨跨中为3#单元。
分析工况如下。
仿真分析,对分析数据处理后得到1、2、3单元不同损伤程度下4#墩边跨跨中、主跨跨中、5#墩边跨跨中加速度方差变化速率见图3~图5。
表3 仿真分析工况
图3 不同损伤程度下4#墩边跨跨中位移方差变化速率
图4 不同损伤程度下主跨跨中位移方差变化速率
图5 不同损伤程度下5#墩边跨跨中位移方差变化速率
根据图1、图2可以得到,在结构发生相同损伤时,加速度方差可以准确的识别结构损伤的程度;图3~图5可以得到,故损伤位置可以通过此种方法识别出来。
从上述分析可以看出将位移方差变化率作为结构损伤识别指标是切实可行的。
3基于加速度的某桥损伤识别
根据经济适用、准确性及能实现在线实时监测,本监测系统采用加速度传感器对某斜拉桥进行实时监测。全桥共布置了主塔、钢箱梁测点,共布置26个测点。具体布置如图6所示。
对桥梁投入运营后一段时间内的监测数据进行分析,对数据进行统计分析,获得结构初始状态
的加速度的方差。初始数据库的数据应具有代表性。再取另一时间段内的加速度方差组成另个数据库,对数据进行统计分析,得到相应的加速度方差,对两数据进行比较分析,从而判断结构损伤情况。
图6 加速度监测测点布置图
4结语
在已有结构损伤识别方法研究的基础上,提出基于结构加速度方差变化率作为结构损伤识别指标,从实际工程的限元模拟分析可以看出,结构加速度方差变化率变化随损伤程度及位置的变化明显。研究表明采用结构加速度方差变化率作为结构损伤识别是切实可行的。这种损伤识别指标在某大桥运营监测系统中得到实施。
参考文献:
[1]徐君兰. 大跨度桥梁施工控制[M].人民交通出版社,2000.
[2]向中富. 桥梁施工控制技术[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
中图分类号:U442
文献标识码:C
文章编号:1008-3383(2016)01-0070-03
作者简介:唐钰昇(1978-),男,重庆长寿人,从事桥梁检测加固设计。
收稿日期:2015-10-29