基于撓度差值影響線的簡支梁橋損傷識別研究

張云開 李詠琪

摘要：當橋梁結(jié)構(gòu)應用到一段時間之后，遇到超載以及地震等情況下將會造成結(jié)構(gòu)失效，所以及時對結(jié)構(gòu)損傷部位進行發(fā)現(xiàn)，并且針對性地采取對應加固手段，對降低因為橋梁解耦股破壞而造成的而生命財產(chǎn)損失發(fā)揮著重要作用。最近幾年里，對于結(jié)構(gòu)損傷識別以及檢測方面的研究已經(jīng)變?yōu)闊狳c問題，不過現(xiàn)階段所采用的損傷識別方法經(jīng)常需要大量的傳感器。因此，在此次研究過程，對簡支架梁損傷的識別進行了分析，利用撓度差值來對簡支架梁損傷位置進行探定，然后預測撓度差值會改變荷載的位置。除此之外，使用有限元的軟件來進行模擬的方法，并且對這種方法通過試驗來驗證。通過驗證結(jié)果顯示，這種方法存在比較多的局限性，并且提出了有關(guān)的建議。

關(guān)鍵詞：撓度差值;簡支梁橋;損傷;識別

通過對結(jié)構(gòu)整體響應數(shù)據(jù)進行監(jiān)測來科學評判簡支梁橋的損傷結(jié)構(gòu)位置是簡支梁橋的損傷識別主要方法[1]。今年來，我國各個地區(qū)都針對交通擁堵現(xiàn)象進行有效解決，紛紛建造了許多高架橋，其中多數(shù)的結(jié)構(gòu)為簡支梁形式。目前，應用基于固有頻率損傷評估方法，盡管測量精確度比較大，但測量的結(jié)構(gòu)固有頻率存在有限的階數(shù)，并且對結(jié)構(gòu)局部的損傷不夠敏感。在模態(tài)振型基礎(chǔ)上的損傷識別方法能夠得出結(jié)構(gòu)比較健全的模態(tài)振型，其要對許多傳感器進行布置，這在實際的工程中不能實現(xiàn)[2]。所以，盡快發(fā)現(xiàn)簡支梁橋結(jié)構(gòu)的損傷部位，并且針對性的進行加固，對避免損壞橋梁的結(jié)構(gòu)以及降低給人們帶來的人身和經(jīng)濟損失有著至關(guān)重要的作用[3]。

利用傳感器對許多數(shù)據(jù)進行分析以及測量是損傷識別的傳統(tǒng)手段。但傳感器的劣勢在于成本較高，除此之外，也會被車輛行駛噪聲和道路噪聲所影響，難以應用于實際施工當中。為了應對此情況，在撓度差值前提上使用影響線圖形來對損傷部位進行判斷被業(yè)內(nèi)相關(guān)專家提出。因此，在此次研究過程，對簡支架梁損傷的識別進行了分析，利用撓度差值來對簡支架梁損傷位置進行探定，然后預測撓度差值會改變荷載的位置[4]。除此之外，使用有限元的軟件來進行模擬的方法，并且通過試驗來驗證這種方法。通過驗證結(jié)果顯示，這種方法存在比較多的局限性，并且提出了有關(guān)的建議。

1 基于撓度影響線損傷的識別方法

1.1 撓度影響線計算基礎(chǔ)

撓度影響線概念是參考內(nèi)力影響線所提出的，也就是梁的某點撓度隨著移動荷載的位置改變而改變的曲線。假設(shè)簡支梁的某個位置存在局部損傷，然而局部的損傷將會造成這個位置的EI改變。假設(shè)在損傷區(qū)域當中梁剛度是E′I，其他的無損傷區(qū)域剛度是EI[5]。

通過荷載沿梁的長度方向作用位置是X軸，通過結(jié)構(gòu)測點的豎向位移是Y軸來構(gòu)建坐標系，然后制作成簡支梁的一個點撓度影響線。這只給出了在荷載作用下簡支梁某一點處的任何界面彎矩，以及在該點處構(gòu)件荷載作用下簡支梁任何界面處的彎矩。由此導出簡支梁損傷的前后撓度差與移動荷載位置之間的函數(shù)表達式[6]。

1.2 簡支梁撓度影響線的計算公式

C點位置出現(xiàn)的局部損傷往往會讓一定區(qū)域范圍當中的梁抗彎剛度降低。設(shè)結(jié)構(gòu)某個位置出現(xiàn)損傷之前剛度系數(shù)是EI，出現(xiàn)損傷之后結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)是E′I。根據(jù)相關(guān)公式，移動荷載作用下測點的撓度影響線被計算出[7]。

在對簡支梁的荷載進行設(shè)置的過程內(nèi)，彎矩表達式以及求得的位置點含有一程度的關(guān)聯(lián)。所以，撓度影響線為撓度測點位置和簡支梁的損傷部位之間的函數(shù)關(guān)系。在計算撓度影響線的過程中，按照簡支梁和撓度測量點的位置，需要將其劃分成四塊，各塊劃分成五段來積分，最終得出了計算簡支梁撓度的影響線的計算方法。當局部位置損傷簡支梁的狀況下，損傷的界面將會降低抗彎剛度，無損傷范圍的界面抗彎剛度不會發(fā)生任何變化。

1.3 計算公式——簡支梁撓度差值影響線

通過撓度的影響線來進行計算的手段推測，在簡支梁的損傷前和損傷之后的D點撓度差值ωD-ω′D計算公式是：

3 數(shù)值的模擬結(jié)果和分析

撓度差值影響線是利用軟件MIDAS civil對簡支梁的結(jié)構(gòu)所發(fā)生的單個損傷和多個位置損傷進行計算時候所產(chǎn)生的。我們在撓度差值的影響線中能夠看出，對單一的結(jié)構(gòu)損傷而言，損傷區(qū)域是3/4，損傷程度是1/5的時候，撓度的差值影響線峰值在14m位置，大小為0.37mm。如圖2所示為M1撓度差值影響線。

損傷區(qū)域是端部，損傷的程度是20%的時候，撓度差值影響線峰值發(fā)生在了18m位置，大小是0.033mm，如下圖3，為M2撓度差值影響線。

這個結(jié)果大體上符合影響線的峰值和實際損傷對應的推測。如圖4所示為M3撓度差值影響線。

M3模型的四分之三位置損傷程度是40%，端部的損傷程度是60%，其中含有兩個部位損傷。3/4的位置，峰值是1.17mm，與端部位置損傷的撓度存在0.3mm的差值。因為2個部位的損傷撓度的差值影響線值存在比較大的差距。從圖像當中的顯示，僅僅能夠?qū)σ粋€拐點進行辨識判斷，無法識別端部的位置損傷。

如圖5顯示為M4撓度差值影響線。M4模型的二分之一位置的損傷程度是20%，端部的位置損傷為60%，一半的位置處峰值是0.98mm，端部位置存在0.2mm的損傷撓度差值。因為兩個位置損傷部位存在的撓度差值相差無幾，往往忽視端部位置損傷而帶來的撓度差值，其僅僅能夠?qū)σ粋€拐點進行辨識。

通過分析比較四組結(jié)果能夠得到以下結(jié)論：

（1）在簡支梁結(jié)構(gòu)單一損傷的情況下，結(jié)構(gòu)的撓度差影響線的部分是當前出現(xiàn)損傷的地方。根據(jù)撓度差的影響線圖，可以對結(jié)構(gòu)損傷位置進行判定。

（2）就比較多的位置發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷來講，由于端部位置的撓度差值不大，通常會掩蓋中間位置附近撓度差影響線的峰值。因此，不可能準確地識別端部的損壞部分。

（3）與損傷程度相對比，損傷出現(xiàn)的地方給撓度差值會帶來十分明顯的影響。除此之外，這還會在距離結(jié)構(gòu)中部比較近的位置，給撓度差值帶來比較大的損傷。

4 結(jié)論

經(jīng)過對上面模型試驗的結(jié)果可以看到，此次研究過程，對簡支架梁損傷的識別進行了分析，利用撓度差值來對簡支架梁損傷位置進行探定，然后預測撓度差值會改變荷載的位置。除此之外，使用有限元的軟件來進行模擬的方法，并且對這種方法通過試驗來驗證。通過驗證結(jié)果顯示，這種方法存在比較多的局限性，并且提出了有關(guān)的建議。最后，得出了下面幾個方面的結(jié)論：通過撓度差值影響線來對簡支梁損傷的部位進行識別，其含有的局限性比較大。當為單一的結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的情況下，這類手段能夠獲得相對比較理想的結(jié)果，它可以更好地判定損傷發(fā)生的地方。然而，對發(fā)生許多位置的損傷結(jié)構(gòu)，由于中間位置損傷帶來的撓度差值，其和端部相對比，將會存在比較大的差距，端部位置損傷產(chǎn)生的撓度差值被這種差距覆蓋掉。在圖像當中，僅僅能夠辨識一個拐點，不能成為識別端部損傷位置的有效手段。在實際工程項目中，簡支梁橋存在的損傷較多，利用這種手進行識別往往不能精確測得對損傷部位，獲得理想效果。

參考文獻：

[1]杜永峰，劉云帥，王曉琴.基于撓度差值影響線曲率的簡支梁橋損傷識別[J].橋梁建設(shè)，2009（4）：80-83.

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[3]袁朝慶，趙丹，才英俊.基于EMD識別簡支梁橋模型損傷位置[J].大慶石油學院學報，2007（5）：88-90.

[4]魯彩鳳.對結(jié)構(gòu)力學中“剪切變形對位移的影響”的進一步探討[J].力學與實踐，2017（2）：199-202.

[5]劉云帥.基于撓度差值影響線的簡支梁橋損傷識別研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2009.

[6]張志強.聊城市陳口橋結(jié)構(gòu)動力特性及抗震性能研究[D].南京：東南大學，2010.

[7]朱檢，張婷婷，曾小婧，等.基于柔度矩陣曲率差法識別結(jié)構(gòu)損傷[J].公路與汽運，2015（1）：129-132.