裝配式鋼桁架橋橋跨結(jié)構(gòu)故障診斷

陳華明，徐 磊，何曉暉

(陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

在無損狀態(tài)下，對物體進(jìn)行檢測方法有電測法、超聲波檢測法、化學(xué)檢測法和模態(tài)分析法等。對于不同的物體的具有的特征不同和周圍環(huán)境的區(qū)別，使用條件的限制使得每種檢測方法都有一定的條件。目前還沒有能夠適應(yīng)任何物體和任何環(huán)境的檢測方法[1-3]。在工程實(shí)際運(yùn)用時(shí)，往往工程預(yù)算成為限制檢測方法的主要因素，常由于運(yùn)算不足導(dǎo)致檢測方法受限，最終產(chǎn)生檢測結(jié)果不理想等問題。在諸多的檢測方法中，模態(tài)分析法在應(yīng)用到大型工程機(jī)械結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)到的優(yōu)勢，一方面其本身不需要投入很大的資金就可以有較為精確的檢測結(jié)果，同時(shí)對于操作人員來說，操作簡便，直觀性較強(qiáng)，使其在工程裝備的故障檢測中應(yīng)用很廣，也是國內(nèi)外整體結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)研究的熱點(diǎn)[4-8]。

本文首先依據(jù)模態(tài)分析的理論對橋梁結(jié)構(gòu)的振型進(jìn)行了理論分析，在此基礎(chǔ)上，在ANSYS仿真平臺中建立了橋跨結(jié)構(gòu)的模型，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置，之后分別在無損傷和有損傷條件下進(jìn)行了仿真，通過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析可以得到橋跨結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象和易損傷位置，最后通過實(shí)裝試驗(yàn)來對仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，最終完成對橋跨結(jié)構(gòu)故障的診斷。

1 理論分析

橋梁橋跨結(jié)構(gòu)的特征值方程如式(1)所示。

(K-λiM)φi=0，i=1,2,…

(1)

式中：K、M分別表示橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣和質(zhì)量矩陣；λi是特征值；φi是對應(yīng)的位移模態(tài)。

對于鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)，其損傷往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度明顯降低，對質(zhì)量分布幾乎不產(chǎn)生影響，相應(yīng)地使λi和φi產(chǎn)生改變。

損傷結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程的攝動方程表示為式(2)。

[(K+Ki)-(λi+Δλi)M)]ψi=0,i=1,2,…

(2)

式中：ΔK、Δλi分別表示整體剛度矩陣和特征值的改變量；ψi是結(jié)構(gòu)損傷后對應(yīng)的位移模態(tài)。

從以上兩式可看出，結(jié)構(gòu)的特征頻率和振動模態(tài)的變化反映出結(jié)構(gòu)剛度的分布和變化。對結(jié)構(gòu)損傷前后的振動模態(tài)進(jìn)行規(guī)一化處理，φi、ψi分別滿足式(3)和式(4)：

(3)

(4)

進(jìn)一步計(jì)算可得結(jié)構(gòu)振動模態(tài)變化列向量為

Δi=φi-ψi

(5)

通過計(jì)算，最終得到模態(tài)變化向量的最大值表達(dá)式為

δj=max|Δi|

(6)

分析δj的特性可以得到物體結(jié)構(gòu)損傷的位置，其值的大小代表結(jié)構(gòu)損傷的程度[9-10]。

2 橋跨結(jié)構(gòu)的模型建立與仿真

為了驗(yàn)證上述損傷判據(jù)應(yīng)用于某沖擊橋橋跨結(jié)構(gòu)故障診斷的可行性，首先利用有限元法對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，根據(jù)分析結(jié)構(gòu)對對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷模擬，主要觀察橋跨結(jié)構(gòu)的振型[12-13]。

2.1 模型建立

如圖1所示，某型裝配式鋼桁架橋橋節(jié)主體材料為鋁合金，采用車轍式結(jié)構(gòu)，一個橋節(jié)由兩個車轍組成。兩個車轍之間由橫向連接系和拉桿相連。橋跨長18m，寬3.2m，跨中高0.659m(包括防滑塊)，主要由頂塊、單耳、雙耳、橫向連接系、車撤、拉桿、橋面和梁等部件構(gòu)成，為了模型的簡化現(xiàn)主要對橋梁的橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

1.頂塊；2.單耳； 3.雙耳； 4.橫向連接系； 5.車轍； 6.拉桿

采用ANSYS建立橋跨結(jié)構(gòu)的有限元模型。結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋梁是雙車轍箱梁式結(jié)構(gòu)，為了盡可能模擬橋梁的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在大量試算分析的基礎(chǔ)上，確定采用梁單元BEAM189模擬T型肋板、連接橫梁等梁式結(jié)構(gòu)13-14]。所建立的有限元模型如圖2。

通過殼單元SHELL63來模擬橋梁的橋面板、腹板等板式結(jié)構(gòu)，并耦合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的自由度。所建立的橋面板和腹板有限元模型如圖3。

圖3 板結(jié)構(gòu)有限元模型

設(shè)定橋梁動力特性分析的約束條件為簡支，一端約束全部自由度，另一端僅約束豎向和縱向自由度。考慮到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在參數(shù)設(shè)定均采用裝備的實(shí)裝尺寸，防止產(chǎn)生縮尺效應(yīng)[15]，最終建立的ANSYS模型如圖4。

圖4 動力特性分析的有限元模型

下面主要對橋跨結(jié)構(gòu)的在無損傷和有損傷兩種情況下進(jìn)行模態(tài)分析。

2.2 模型仿真

1) 橋跨結(jié)構(gòu)在無損傷狀態(tài)下

圖5給出了橋跨無損傷條件下的1～10階模態(tài)振型(由于篇幅限制只給出了第1和第10兩階振型)。

圖5 橋跨結(jié)構(gòu)無損傷條件下的振型

2) 橋跨結(jié)構(gòu)有損狀態(tài)下

圖6給出了橋跨有損傷條件下的1～10階模態(tài)振型(由于篇幅限制只給出了第1、第2、第9和第10共四階振型)。

圖6 橋跨結(jié)構(gòu)有損條件下的振型

表1給出了橋跨結(jié)構(gòu)在有損和無損條件下各階固有頻率，表2給出了橋跨在有損和無損條件下一階豎彎在不同測點(diǎn)的振幅。

表1 橋跨結(jié)構(gòu)有損和無損條件下固有頻率

表2 橋跨結(jié)構(gòu)在有損和無損條件下一階豎彎在不同測點(diǎn)的振幅

3 橋跨結(jié)構(gòu)損傷識別

對橋跨的結(jié)構(gòu)損傷識別主要包括損傷現(xiàn)象的識別和損傷位置的識別。

3.1 損傷現(xiàn)象的識別

圖7給出了橋跨無損傷和有損傷條件下的各階固有頻率的變化。

從圖7可以明顯看出，當(dāng)橋跨在無損傷和有損傷下的條件下時(shí)，橋跨的各階固有頻率均有不同程度的下降，同時(shí)，對橋跨而言，其低階和高階固有頻率對結(jié)構(gòu)損傷的反映更為明顯，因此，可選擇低階或高階固有頻率作為結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)來判定結(jié)構(gòu)是否損傷與損傷程度。

圖7 橋跨無損傷和有損傷條件下的固有頻率

3.2 損傷位置的識別

采用低階或高階固有頻率作為結(jié)構(gòu)損傷參數(shù)能夠判斷結(jié)構(gòu)是否損傷及損傷的程度，但并不能判斷結(jié)構(gòu)損傷的位置。對此問題，本文在總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上，采用圖譜分析的方法解決，通過分析結(jié)構(gòu)的振型圖或振幅曲線確定損傷位置。其中，振型圖分析法是通過比較損傷結(jié)構(gòu)與無損傷結(jié)構(gòu)的振型圖直接確定，其依據(jù)是出現(xiàn)損傷的結(jié)構(gòu)其振型圖與無損傷結(jié)構(gòu)相比，在損傷位置會出現(xiàn)較為明顯的變化，出現(xiàn)變化的區(qū)域也就是損傷的位置。圖8為橋跨在無損傷和有損傷條件下的振型。

圖8 橋跨不同程度損傷條件下的振型

從圖8可以看出，橋跨有損傷的B區(qū)域與無損傷的A區(qū)域存在明顯的區(qū)別，B區(qū)域明顯“凸起”，該區(qū)域即為損傷位置。

當(dāng)振型圖分析方法難以確定時(shí)，可采用振幅圖分析法。該方法是進(jìn)一步得出結(jié)構(gòu)在某階振型下的振幅圖，通過振幅分析確定。圖9為橋跨有損和無損條件下一階豎彎的振幅曲線。

圖9 橋跨無損傷和有損傷條件下一階豎彎的振幅曲線

從圖9可以看出，在橋跨無損傷時(shí)一階豎彎的振幅曲線是一條較為光滑的曲線，而一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷，振幅曲線將變得不光滑，而出現(xiàn)“突變”的區(qū)域也就是結(jié)構(gòu)損傷的位置，而“突變”程度也反映了結(jié)構(gòu)損傷的程度。

4 實(shí)裝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果的，本文結(jié)合理論和仿真分析結(jié)果，對某沖擊橋進(jìn)行動力特性實(shí)裝試驗(yàn)。

采用基于環(huán)境激勵的譜分析方法開展實(shí)裝試驗(yàn)研究。試驗(yàn)現(xiàn)場只有7個模塊，由于試驗(yàn)儀器數(shù)量的限制，采用了分段試驗(yàn)的方法。根據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)場的試驗(yàn)條件，在每個橋面上共均勻布置7個測點(diǎn)，每個橋面上均有一個參考點(diǎn)，每個測點(diǎn)放置一個加速度傳感器，不知傳感器時(shí)需要保證嚴(yán)格的垂直度和水平度，如圖10所示。

圖10 動力特性實(shí)裝試驗(yàn)

圖11～圖14給出了橋跨結(jié)構(gòu)在無損傷條件下不同方向的振型試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果。

圖11 無損傷一階豎彎

圖12 無損傷二階豎彎

圖13 無損傷一階側(cè)彎

表3給出了橋跨結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)與仿真結(jié)果。從表3可以得出：經(jīng)過試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元計(jì)算后，得到的振型與ANSYS仿真的得到的振型大致相同，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果的可信性。通過對比發(fā)現(xiàn)二者固有頻率相差很小，最大誤差為5.73%，最小誤差為2.48%。經(jīng)過分析產(chǎn)生偏差的原因可能是建立模型時(shí)，初始條件和裝備參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際參數(shù)存在一定的差異和裝備本身存在一定的結(jié)構(gòu)缺陷。

圖14 無損傷一階扭轉(zhuǎn)

表3 橋跨結(jié)構(gòu)的仿真和試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1) 通過比對無損傷與有損傷結(jié)構(gòu)的固有頻率曲線，判定結(jié)構(gòu)是否存在損傷及損傷的程度。其準(zhǔn)則是比對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與無損傷結(jié)構(gòu)的低階或高階固有頻率，如出現(xiàn)明顯變化表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在損傷，而變化的程度則表征損傷的程度；

2) 通過比對無損傷與有損傷結(jié)構(gòu)的振型圖或振幅曲線，判定結(jié)構(gòu)損傷位置及損傷程度。其準(zhǔn)則是比對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與無損傷結(jié)構(gòu)的振型圖或振幅曲線，如圖形或曲線發(fā)生“突變”，表明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)存在損傷，“突變”的區(qū)域即損傷的位置，而“突變”的程度也表征損傷的程度。

3) 驗(yàn)證了仿真研究結(jié)果的可信性，可以對橋跨結(jié)構(gòu)在不同的損傷條件下仿真，對橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障診斷。