基于索力和曲率模態(tài)的大跨斜拉橋損傷識別研究.pdf

1、大跨橋梁是重要的基礎交通設施和生命線工程,隨著已建橋梁年代越來越久、新建橋梁跨徑越來越大,橋梁的安全問題更加突出,橋梁垮塌事故在世界各地時有發(fā)生。為了盡可能地避免非極端荷載下的橋梁垮塌事故,可采用結構健康監(jiān)測技術。健康監(jiān)測技術的核心是損傷識別,在斜拉橋損傷識別研究中,拉索索力和曲率振型都是損傷敏感量。但是,包含索力相互影響數量關系的影響矩陣尚未應用于損傷識別;關于曲率模態(tài)對整體剛度退化以及稀疏測點下識別能力的研究甚少。本研究主要內容包括

2、：
　?、盘岢鏊髁τ绊懢仃嚱Y合全橋索力變化的拉索損傷識別方法。引入前人基于缺陷長度的預應力結構靜力分析方法,得到拉索退化狀態(tài)的等效缺陷長度改變量;將缺陷長度—索力影響矩陣轉化為易于測量的索力影響矩陣,通過該矩陣和全橋索力變化求得拉索的等效索力施調量,證明了索力等效施調量是否為零與拉索是否損傷的一致性,提出以索力等效施調量與初始索力之比作為拉索損傷指標用于估計拉索損傷程度。無預應力部分剛度越大,該拉索損傷指標的準確性越高。該方法經過

3、濱州黃河大橋縮尺模型的數值模擬和實驗驗證,對于多拉索損傷工況識別效果良好。
　?、铺岢霾捎媒^對曲率差,即損傷前后曲率振型絕對值之差作為損傷指標,引入模態(tài)慣性力的概念討論了曲率模態(tài)不能識別整體剛度退化的問題。提出了新的曲率振型規(guī)格化方法及端點曲率估計方法,并引入曲率模態(tài)乘子矩陣以方便位移振型向曲率振型的轉化。以一根兩端分別為固支和鉸支邊界的梁為例,研究了各位置損傷所引起的曲率振型變化形式,并通過抗敏性指標和顯著性指標研究了曲率變化在

4、不同階數、不同測點密度下對損傷的指示能力,指出曲率零點附近的識別失效原因在于曲率變化不明顯。通過算例說明曲率變化可以指示連續(xù)損傷中相對嚴重的損傷位置,這對于結構及時維護具有實際意義。
　?、翘岢隽瞬捎胟-means聚類算法對動力相似自由度進行自動集結的傳感器選點方法和模型降階方法?？紤]動力荷載空間分布,給出了根據模態(tài)參與系數選取原模型重要模態(tài)的方法,根據重要模態(tài)中各自由度振型值的相似性應用聚類算法對自由度進行自動分類集結。各集結自

5、由度幾何中心處的代表點可以作為傳感器布置位置;從柔度矩陣元素的定義入手推導了結構矩陣顯式條件下柔度法降階的統(tǒng)一表達式,并證明了降階矩陣的正定性、對稱性及正交關系。通過一斜拉橋單跨主梁的簡化模型算例說明了傳感器選點和柔度法降階的可行性。
　　⑷在濱州黃河大橋縮尺模型的有限元模型和實驗室模型中,分別以主梁單元剛度折減和拆除主梁連接件的方式進行了主梁損傷識別研究。損傷工況特征振型分析表明,低階曲率振型識別損傷位置的可靠性更高,而高階曲率

6、振型對損傷的高敏感度往往伴隨誤判;多損傷時曲率振型較大位置的損傷指標可能掩蓋曲率振型較小位置的損傷指標;一階對稱模態(tài)比反對稱模態(tài)對于中塔附近位置的損傷指示性更好。進行了損傷識別的有限元仿真,采用從風振響應中以復Morlet小波識別的振型研究了信噪比、損傷位置、損傷程度對識別效果的影響。在有限元研究的基礎上，進行了損傷識別實驗,模型損傷實驗結果與有限元模擬結果的若干特征基本吻合,實驗中低階曲率振型對單損傷和雙損傷工況識別效果較好;實驗結果