大跨度懸索橋損傷識別方法研究

何惟煌

1 概述

近10多年來,國內外學者一直在尋找一種能夠適用于復雜結構的整體損傷評估方法,用于損傷定位的指標大致分為基于靜態特性和基于動態特性的損傷指標兩大類。基于靜力的方法具有準確度和信噪比高等優點,但需要明確的外部荷載輸入,對運營期的橋梁結構來說比較難以實現。基于動力的損傷識別方法具備長期實時工作、監測不影響交通等優點,是目前得到普遍認同的一種最有前途的方法,但該方法在實際應用中受到試驗模態不完備、測試振型自由度較少以及易受噪聲影響等幾個方面的制約。本文提出一種大跨度懸索橋結構損傷識別的靜動力實用方法,該方法特點是充分利用健康監測系統靜動力監測數據,以大橋在荷載試驗時的靜動力狀態作為大橋“健康”狀況的基準,以大橋“準恒載”撓度曲率的變化和多階振型變化差值求和作為損傷識別的依據,并以陽邏長江大橋為工程背景進行損傷識別模擬與分析。

2 結構特點與損傷指標實用性研究

加勁梁的抗彎剛度對懸索橋的低階豎向撓曲頻率影響較小,主要是因為在大跨度懸索橋中,加勁梁的抗彎剛度相對于具有初始軸力的主纜形成的重力剛度是一個較小的值[2],而高階加勁梁的抗彎剛度影響較大。加勁梁橫向高階振動基本獨立,與簡支梁振動特性基本一致;吊桿是將豎向力傳給主纜的局部受力構件,其損傷時對懸索橋結構的整體頻率影響很小。

目前,在基于結構動態特性的損傷識別研究中,常用的指標有固有頻率變化、模態振型差和模態振型曲率、柔度差和柔度曲率以及坐標模態保證準則等;在基于結構靜態特性的損傷識別研究中,常用的指標有應力差、應變差、剛度以及撓度等[3]。其中,基于頻率的方法對結構局部損傷不敏感,基于振型和柔度的曲率法由于測試振型自由度較少,振型反彎點容易帶來較大誤差。柔度法則由于試驗模態不完備而在實際工程中難以應用;基于靜力的方法主要需要解決外部荷載輸入的問題。

為了充分利用靜動力測試信息,并克服靜力或動力方法進行損傷識別實用性上的不足,本文提出以大橋“準恒載”撓度曲率改變和多階振型變化差值求和進行損傷識別的方法。

1)“準恒載”撓度曲率識別方法。

在運營期間可以通過結構空載撓度變化進行損傷識別,用于識別的監測工況宜選擇在夜間車輛較少時,通過去奇異值等統計分析方法排除車輛荷載的影響,獲得“準恒載”狀態,另外還應排除溫度場對撓度的影響。通過實測加勁梁撓度數據就可以獲得“準恒載”作用下的變形{v},變形曲率可通過有限差分法求得,通過變形對坐標位置的二級導數,即可求得變形曲率。

其中,Δx為相鄰兩個計算點之間的距離。

如果能獲得健康結構和損傷結構在荷載作用下的變形曲率{1/ρ}u,{1/ρ}d,兩向量的差值為:

顯然,結構出現損傷導致損傷前后{Δφ}發生變化,而未損傷處的曲率為0,可由此探測結構損傷的位置。

2)多階振型變化差值求和。

文獻[4]在青馬大橋損傷識別中運用了ECOMAC法,本文在此基礎上,直接運用多階振型變化差值求和,其計算公式如下:

其中,i為實測測點號;φuj,φdj分別為未損傷和損傷結構的第j階測量模態,假如實測模態為第1,2,3,5,8階,則將這 5階每個測點對應的差值求和即可。顯然,當損傷未發生時,則SD(i)值較小;一旦損傷發生,則SD(i)值較大。多階振型變化差值求和的方法避免了試驗模態不完備、測試振型自由度較少等動力測試方法實際應用的缺陷,可以獲得較好的識別效果。

3 陽邏長江大橋損傷識別

3.1 工程概況

陽邏長江公路大橋是京珠國道主干線及滬蓉國道主干線的重要組成部分,位于武漢市東北郊區。主橋結構形式為大跨度鋼箱梁懸索橋,總體布置為(250+1 280+440)m,矢跨比為 1/10.5。橋塔設計采用分離式H形空間索塔,加勁梁采用鋼箱梁。大橋設計先進,技術含量高,其跨度在同類型橋梁中排名國內第四、世界第八。為保證大橋運營期的安全運營,并為大橋的維護提供及時指導,建立了陽邏長江大橋長期健康監測及數字化管養系統,損傷識別是該系統的重要內容之一。

3.2 損傷模擬與識別

基于ANSYS平臺建立了大橋空間有限元計算模型。在模型中,索塔采用梁單元模擬,主纜和吊索等效為空間桿單元,加勁梁采用板殼單元進行模擬,橋面鋪張和欄桿用附加質量。

損傷模擬時,分別將加勁梁1/16,1/8,1/4以及跨中處50 m區域抗彎剛度減少30%,將1/16,1/8,1/4以及跨中處一對吊桿抗拉剛度減少30%。

1)“準恒載”撓度曲率損傷識別。以成橋時荷載試驗實測線型作為大橋的基準狀態,運營過程中通過選擇在夜間車輛較少時利用去奇異值等統計方式獲得“準恒載狀態”的幾何線型。損傷識別結果見圖1,圖2,圖1,圖2中較大值處即為損傷位置。

2)多階振型變化差值求和損傷識別。以實測豎向第1,2,4,6,8,9,10,11,13模態振型作為基準振型,模擬結構損傷,部分損傷識別結果見圖3,圖4,圖3,圖4中較大值處即為損傷位置。

4 結語

1)文中結合靜力和動力法進行損傷識別,所述方法充分發揮了動力實時監測和靜力穩定可靠的優勢,并克服了各自方法的缺點;2)吊索的損傷可以在此基礎上,通過索力測試等方法來進一步確認;3)從文中理論分析和模擬結果來看,所述方法能較好的應用于目前工程實際,具有好的實用性,值得推廣。

[1] 秦 權.懸索橋的損傷識別[J].清華大學學報(自然科學版),1998(12):30-32.

[2] 張運波.影響大跨度懸索橋自振特性的參數分析[J].華東公路,2002(6):121-122.

[3] 劉嫦娟.懸索橋損傷指標的適用性分析[J].建材技術與應用,2007(1):233-234.

[4] B.S.Wang.COMPARATIVE STUDY OF DAMAGE INDICES INAPPLICATION TOA LONG-SPANSUSPENSION BRIDGE[A].Advances in Structural Dynamics[C].Oxford(UK):Elsevier Science Ltd,2000:1085-1092.

[5] 鐘繼衛,孫連峰,李星新.陽邏長江大橋荷載試驗報告[R].武漢:大橋局武漢橋梁科學研究院科研報告,2008.