混凝土橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別試驗研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷識別方法是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，而基于結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的損傷識別方法更是目前的研究熱點(diǎn)，本文在國家自然科學(xué)基金(51078134)資助下，對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)模型修正和基于隨機(jī)子空間的結(jié)構(gòu)損傷識別算法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括:
　?、?、模型斜拉橋模態(tài)測試及模型修正
　　(1)對一座主跨12m的獨(dú)塔混凝土模型斜拉橋進(jìn)行了模態(tài)測試。通過多次錘擊試驗，獲得了主梁豎向和扭轉(zhuǎn)模態(tài)、主梁橫橋向模態(tài)、橋塔面內(nèi)和面外模態(tài)的測試

2、結(jié)果，對實測模態(tài)結(jié)果進(jìn)行了匯總，為模型修正提供依據(jù)。
　　(2)對模型斜拉橋進(jìn)行了靜動力狀態(tài)下的模型修正，并對修正后的模型進(jìn)行了檢驗。根據(jù)模型橋∏形主梁的特點(diǎn)，采用ANSYS建立了空間梁板有限元模型。基于頻率靈敏度分析對結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行選擇，邊界條件通過彈簧單元進(jìn)行模擬。將振型進(jìn)行詳細(xì)的分類，模態(tài)匹配只在同類型振型之間進(jìn)行，實踐表明，該方法能夠解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模態(tài)匹配問題。模型修正時使用的目標(biāo)函數(shù)包括動力參數(shù)和靜力位移，修正后的模型

3、不僅參與優(yōu)化計算的靜力位移、模態(tài)參數(shù)與實測值更加吻合，沒有參與優(yōu)化的更高階頻率也與實測結(jié)果更接近。最后，使用另一狀態(tài)下的模態(tài)測試結(jié)果對修正后的有限元模型進(jìn)行了檢驗。
　?、颉⒒陔S機(jī)子空間的損傷識別算法
　　對基于隨機(jī)子空間的多種損傷指標(biāo)進(jìn)行了分析評價，在此基礎(chǔ)上，提出了一個新的損傷指標(biāo)(IA)。仿真分析結(jié)果表明:模型殘差損傷指標(biāo)、協(xié)方差Hankel矩陣損傷指標(biāo)、離散狀態(tài)空間矩陣損傷指標(biāo)(TA)均能有效對損傷程度進(jìn)行識別，指

4、標(biāo)值與損傷程度基本呈線性關(guān)系，其中，本文提出的損傷指標(biāo)IA對損傷最敏感，相同損傷程度下指標(biāo)值最大。使用模型殘差損傷指標(biāo)時，模型的階數(shù)取值比實際階數(shù)稍大時效果更好，使用協(xié)方差Hankel矩陣損傷指標(biāo)時，模型階數(shù)宜比實際階數(shù)小。
　?、?、混凝土斜拉橋損傷試驗研究
　　(1)測試分析了預(yù)應(yīng)力對混凝土結(jié)構(gòu)頻率的影響，橋塔和主梁的頻率均隨著預(yù)應(yīng)力的增加而提高，張拉完橋塔預(yù)應(yīng)力，塔面外一二階頻率分別提高了1.98％、2.81％。張拉完主

5、梁預(yù)應(yīng)力，主梁前四階頻率最大提高為1.69％，其主要原因可能是預(yù)應(yīng)力筋張拉后，預(yù)應(yīng)力使得混凝土結(jié)構(gòu)的一部分微裂縫閉合，提高了截面的剛度，此外，預(yù)應(yīng)力筋張拉后與混凝土結(jié)構(gòu)形成一個整體，共同工作，增加了結(jié)構(gòu)的剛度。
　　(2)對主梁四個損傷工況的索力變化進(jìn)行了測試，各工況下邊跨索力均有少量增加;工況一和工況二索力變化較小，變化規(guī)律不明顯;工況三和工況四損傷區(qū)域索力減小較明顯，可以對損傷位置進(jìn)行較好的判斷。兇而，當(dāng)主梁損傷程度較大時，可

6、以通過拉索索力的變化對損傷進(jìn)行定位。
　　(3)對主梁和下游側(cè)橋塔進(jìn)行了損傷試驗，采用基于隨機(jī)子空間的損傷指標(biāo)對各損傷工況進(jìn)行了識別，結(jié)果表明:觀測標(biāo)準(zhǔn)型損傷指標(biāo)不能正確識別損傷;模型殘差損傷指標(biāo)的識別效果較差，對判定有無損傷存在一定難度;協(xié)方差Hankel矩陣損傷指標(biāo)（IU、IUV）和離散狀態(tài)空間矩陣損傷指標(biāo)(IA)能夠較好的識別有無損傷及損傷程度，IA指標(biāo)對損傷的敏感性和損傷程度的相關(guān)性識別效果略好于IU、IUA指標(biāo)。

7、　　(4)采用模型修正的方法對主梁和橋塔的損傷程度進(jìn)行了定量分析，通過假定損傷區(qū)域單元彈性模量降低來模擬損傷，最大損傷時，主梁和橋塔損傷區(qū)域單元彈性模量分別降為未損傷狀態(tài)的61％、88％。
　?、?、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁足尺模型試驗研究
　　(1)采用條帶法編制了預(yù)應(yīng)力混凝土梁的非線性計算程序，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明該程序計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可用程序?qū)Ω鲹p傷狀態(tài)的靜力剛度進(jìn)行計算。對實測的荷載-位移曲線，采用簡化方法計算了

8、其卸載曲線，效果良好。
　　(2)使用盒計數(shù)法對小箱梁和空心板的裂縫分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:小箱梁和空心板的裂縫分布具有分形特征，隨著損傷程度的增加，裂縫分形維數(shù)增加。損傷過程中的裂縫分形維數(shù)與頻率存在明顯的兩折線關(guān)系，轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為荷載-位移曲線預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服的特征點(diǎn)。
　　(3)對損傷過程中的動靜力剛度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:未損傷狀態(tài)時，靜力剛度與動力剛度基本一致，各損傷狀態(tài)的動力剛度下降幅度明顯要小于靜力剛度，動力剛度與