基于沖擊振動的橋梁快速測試方法與理論創(chuàng)新.pdf

1、我國正處于信息化、智慧城市化、一帶一路的快速發(fā)展時期，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼。與此同時，橋梁在長期服役期間受到環(huán)境侵蝕、材料劣化、地基沉降、日常交通載荷等作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能逐漸退化。服役期間甚至遭受車輛（船舶）撞擊、超載、危險品泄漏、自然災(zāi)害等突發(fā)事件的風(fēng)險。這些病害極大縮短了橋梁的使用壽命;這些安全事故造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。因此，如何維護(hù)和管理數(shù)量龐大的橋梁設(shè)施，如何發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)早期損傷和隱患是國內(nèi)外迫切需要解決的共同課題。當(dāng)前，橋梁定

2、期檢查仍以人工檢測為主，費(fèi)時費(fèi)力。健康監(jiān)測技術(shù)由于其系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴，難以廣泛用于數(shù)量眾多的中小橋。自動化檢測的研究與發(fā)展逐步應(yīng)用于隧道、道路、鐵軌以及橋梁（拉索、橋面板和水下樁基礎(chǔ)），大大提高了檢測效率。然而可是，目前尚無針對橋梁整體安全性能快速評估的設(shè)備和技術(shù)方法。因此，為了實(shí)現(xiàn)我國公路網(wǎng)上廣大橋梁的快速測試與安全普查，開發(fā)橋梁快速測試裝置和理論方法是本文研究的目的及意義所在。本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)整體思路

3、與框架。本文提出并開發(fā)了基于沖擊振動測試的橋梁快速測試方法及一體化裝置?；舅枷?一種橋梁快速檢測車集成了橋梁沖擊系統(tǒng)，傳感器布置系統(tǒng)，一體化控制系統(tǒng)，全程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并進(jìn)行橋梁全面參數(shù)的識別（包括深層次參數(shù)，柔度），實(shí)現(xiàn)橋梁的快速測試與評估。獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):包含沖擊力和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的沖擊振動測試數(shù)據(jù)具有獨(dú)特潛質(zhì)，它能夠估算得出和解析解一致的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)以及更加完備的結(jié)構(gòu)信息，有望挖掘更為真實(shí)和詳盡的結(jié)構(gòu)特征。有益效果:基于沖擊振動的橋梁快速測

4、試方法能夠得進(jìn)一步識別結(jié)構(gòu)柔度。柔度（剛度的倒數(shù)）直接對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的承載能力信息。識別柔度后，可以預(yù)測結(jié)構(gòu)在任意靜載下的撓度。從而利用橋梁快速檢測車實(shí)現(xiàn)廣大中小橋梁的快速測試與評估。
　　(2)研究了沖擊振動潛在的理論優(yōu)勢。首先從理論上推導(dǎo)證明了沖擊振動與環(huán)境振動數(shù)據(jù)包含結(jié)構(gòu)信息是具有本質(zhì)的不同，即由沖擊振動測試數(shù)據(jù)所估算的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)為真實(shí)的頻響函數(shù)，其頻響函數(shù)幅值和理論值保持一致;而環(huán)境振動所估算的頻響函數(shù)僅與理論解的形狀相同（

5、故僅能識別結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，比如頻率、振型等）而幅值不同（存在一定的比例關(guān)系(L)roi），故環(huán)境振動下的數(shù)據(jù)無法估算得到結(jié)構(gòu)的深層次參數(shù)。從而證明利用沖擊振動測試數(shù)據(jù)（沖擊力與結(jié)構(gòu)沖擊反應(yīng)）進(jìn)行結(jié)構(gòu)深層次參數(shù)識別具有根本的優(yōu)勢。
　　(3)研究了基于沖擊振動測試的位移柔度識別理論。傳統(tǒng)的柔度識別需要借助于有限元模型提取結(jié)構(gòu)的質(zhì)量信息，利用質(zhì)量歸一化的位移振型來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的柔度識別。顯然這種已知質(zhì)量的柔度識別方法的可靠度在于有限元模型的

6、精細(xì)化程度，同時不符合本文提出的快速測試思想。本文將位移柔度寫為復(fù)模態(tài)形式，通過識別位移振型、模態(tài)縮放系數(shù)和系統(tǒng)極點(diǎn)來求解位移柔度，回避了識別結(jié)構(gòu)質(zhì)量信息的問題。其中，模態(tài)縮放系數(shù)是整個柔度識別的核心所在。本文利用振型向量的正交性將No×Nl個頻響函數(shù)降維和解耦為單自由度單模態(tài)的增強(qiáng)頻響函數(shù)來識別固有頻率和阻尼比，最后利用已識別出的第r階系統(tǒng)極點(diǎn)λr來識別模態(tài)縮放系數(shù)Qr。
　　(4)研究了基于結(jié)構(gòu)分塊的沖擊振動測試方法。傳統(tǒng)測試

7、方法都是針對全結(jié)構(gòu)測量，需要布置大量的傳感器，測試成本高昂、橋梁封閉時間長，無法滿足本文所提出的快速測試要求。為解決這一工程問題，本文提出了橋梁分塊沖擊振動測試方法，通過將橋面劃分為各個子結(jié)構(gòu)，對每個子結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立振動測試，然后將各個子結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)集成為全結(jié)構(gòu)的參數(shù)，用于識別整體結(jié)構(gòu)的位移柔度矩陣。其關(guān)鍵問題在于如何解決各個子結(jié)構(gòu)位移振型的集成。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的位移振型只表示結(jié)構(gòu)在各階固有頻率處的振動形態(tài)，并不表示結(jié)構(gòu)真實(shí)的振動幅度，所以各

8、個子結(jié)構(gòu)識別的各階位移振型可以任意縮放，同時振型方向并不固定，這就造成了各個子結(jié)構(gòu)識別的各階位移振型的幅度不同和振型方向錯誤的問題。本文提出了多參考點(diǎn)與單參考點(diǎn)分塊沖擊振動測試，并利用振型連續(xù)性和頻響函數(shù)相位曲線分別解決了多參考點(diǎn)和單參考點(diǎn)分塊沖擊振動測試子結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)集成問題。
　　(5)開發(fā)了橋梁快速測試一體化裝置及其工程應(yīng)用。針對橋梁沖擊振動測試，本文開發(fā)了一種適應(yīng)中小橋梁安全診斷的沖擊荷載裝置。該裝置能夠產(chǎn)生大幅值、寬頻域

9、和單峰值特征的沖擊力，在以不損壞結(jié)構(gòu)的前提下充分激勵出橋梁的真實(shí)動力特性。同時，還開發(fā)了傳感器自動化布置的車載伸縮懸臂裝置，該裝置通過使用少量的加速度計隨著測量車的移動在橋面上快速測量，方便快捷高效。解決了傳統(tǒng)加速度計通過膠或磁座等粘貼固定于橋面，不易拆卸、不易重復(fù)使用、人工操作多，耗費(fèi)時間長等問題。最后，通過現(xiàn)場實(shí)橋測試驗(yàn)證了本文所提出方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。
　　(6)提出了基于溫度荷載（輸入）與結(jié)構(gòu)溫度反應(yīng)（輸出）的大跨橋梁評