基于振動監測的橋梁結構損傷識別方法研究

唐鈺昇，申新凱

(重慶市交通工程質量檢測有限公司，重慶　400064)

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基于振動監測的橋梁結構損傷識別方法研究

唐鈺昇，申新凱

(重慶市交通工程質量檢測有限公司，重慶400064)

摘要：橋梁結構損傷識別是橋梁結構安全監測系統的核心，結構振動模態的變化能夠直接反應橋梁結構損傷的程度，分析提出基于結構振動模態變化率作為橋梁結構損傷識別指標，從而識別結構的損傷程度以及損傷位置。

關鍵詞：結構損傷；振動；方差

1建立分析模型

為得到合適的判定指標來對結構的損傷進行識別，下面以單自由度系統對結構損傷進行敏感性的分析。

根據結構隨機振動理論，對應系統為單自由度是其輸入干擾和結構做出的響應可以看作是隨機過程，則單自由度系統的隨機運動方程可以表示為

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

(1)

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一般來講，結構出現損傷后主要改變的是剛度，而結構是質量改變量很小，故在對結構損傷分析時也不考慮結構質量改變對損傷的影響。在此僅由剛度的改變來識別結構的損傷，這也是現在許多損傷識別方法所采用的假設。所以分析結構對剛度變化做出的響應，從而根據獲得結構損傷對加速度、速度、位移的敏感程度。

從上式可以看出，速度方差是與結構剛度無關的物理量；加速度和位移的方差是與結構剛度相關的物理量，位移方差與結構剛度是反函數的關系，加速度方差與結構剛度成線性關系。故從數學函數意義上來分析，位移方差的變化受結構剛度變化的影響比加速度方差變化受結構剛度變化的影響大，從統計學上方差的意義來說，結構損傷后外界隨機激勵下獲得的位移響應數據比加速度響應數據的離散的程度變化大。故在分析的基礎上，提出基于結構振動加速度方差的變化速率作為損傷指標來進行結構損傷識別理論。

2基于不同損傷橋梁結構響應仿真分析

2.1荷載相同速度不同

當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)通過橋梁結構時，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，擬驗證上一節提出的基于結構加速度方差的變化率作為指標來進行結構損傷識別理論，分析工況如表1所示。

表1　分析工況

圖1　結構位移、加速度方差變化率與結構損傷關系對比圖

2.2荷載不相同速度相同

當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)通過橋梁結構時，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提出的基于結構位移方差的變化率作為損傷指標來進行結構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　結構位移、加速度方差隨結構剛度變化關系對比圖

2.3基于不同損傷位置結構仿真分析

上面均是針對同一損傷位置進行的仿真分析，這一節將對結構不同損傷位置進行分，相同工況下相同損傷的樣本為結構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，對分析數據處理后得到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

根據圖1、圖2可以得到，在結構發生相同損傷時，加速度方差可以準確的識別結構損傷的程度；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構損傷識別指標是切實可行的。

3基于加速度的某橋損傷識別

根據經濟適用、準確性及能實現在線實時監測，本監測系統采用加速度傳感器對某斜拉橋進行實時監測。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的監測數據進行分析，對數據進行統計分析，獲得結構初始狀態

的加速度的方差。初始數據庫的數據應具有代表性。再取另一時間段內的加速度方差組成另個數據庫，對數據進行統計分析，得到相應的加速度方差，對兩數據進行比較分析，從而判斷結構損傷情況。

圖6　加速度監測測點布置圖

4結語

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

參考文獻：

[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[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

文獻標識碼：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計。

收稿日期：2015-10-29