CN1050665C - 块装结构的稳定完整性的评价方法 - Google Patents

Abstract

在本发明的用于块状结构的稳定完整性的评价中，是在该结构上配置至少二个三方向检测器作为一组的检测器，进行常时微动测定，并根据这个常时微动测定的结果，计算出在整个振动中占一定比例的摇摆振动的影响程度，再根据该影响程度计算出在块状结构上的预先确定的特定位置上的摇摆振动的程度。因为支持状态越不稳定，摆动振动就越显著，所以可以根据摇摆振动显著越过1的现象，对该块状结构的稳定完整性进行评价。

Description

块装结构的稳定完整性的评价方法

本发明涉及块状结构(桥墩、桥台、防塌堤和护岸堤等)相对于倾倒的稳定完整性的评价方法。

目前，桥梁的桥墩经常处于被冲刷掘出的险境中，因此确立可用于桥墩相对于倾倒的稳定完整性的简单的评价方法是非常重要的。

已有的桥墩稳定完整性的评价方法包括下述步骤：首先通过对所有的桥墩进行目视检查，评价其相对于倾倒的稳定完整性，然后根据这个评价结果，对危险性较大的桥墩进行冲击检查，用30kg左右的重锤接触冲击桥墩，测量由该冲击产生的固有振动的频率，并根据该固有频率的变化，评价桥墩相对于倾倒的稳定完整性。

然而，因为在目视检查时要受到检查者的个人经验影响，所以被确认的变化状态在进行复查时发现是错误的现象是相当普遍的。此外还往往会发生漏看以及不能发现其内部的缺陷等问题，而且当桥墩的基础部分处于水中或土中时，也不能用直接目视进行确认。

在进行冲击检查时，不仅有损伤桥墩本身和支持该桥墩的结构的危险，还需要对周围的结构物进行考虑，并对检查员的安全进行特别的注意。由于必须使用较大型的装置，所以限制了可进行检查的场所，还由于要花时间进行必需的准备，所以限制了可进行检查的时间，由于这些原因，很难对所有的桥墩进行这种检查。

如上所述，目视检查会较大地受到个人经验的影响，且存在有漏看和不能发现内部缺陷的缺点。而冲击检查有损伤结构  和检查员的危险，且由于可进行检查的场所和时间的限制，而存在难于对很多个位置进行检查的缺点。

WO86/03291涉及一种用于测定结构上的振动传播的装置，是对构造设计贡献很大的一项发明。与本发明类似的地方是将加速度计放置在结构上，将记录到的数据进行周波数分析，但是该先有装置在结构上的检测点是4点，并且其记录数据的分析方法等，以及其目的及处理方法、解析原理等等完全与本发明的不同。

US5,255,565涉及对振动结构的检测方法和装置。其是将多个感测器放置在结构上，其目的是计算出其振动模式。该先有技术的目的、测定方法及处理方法等与本发明没有任何相似之处。

本发明的目的是为了克服上述的那些缺点而提供一种可以简便全面地对多个块状结构进行稳定完整性评价的方法，利用该方法评价块状结构相对于倾倒的稳定完整性时，可以防止出现在用目视检测情况下往往出现的漏看问题，并能发现其内部缺陷，而且可以不再受到在冲击检测情况下存在的结构和检查员安全问题的困扰，也不会再受到冲击检查情况下存在的对检查场所和检查时间的限制。

由人工振动或气象等自然现象引起的微动，会使结构产生常时振动。因此，测定这种由常时微动产生的块状结构(例如桥墩)的振动响应，便可以评价该块状结构的稳定完整性。

也就是说，本发明的用于一块块状结构相对于倾倒的稳定完整性的评价方法，其特征在于它包括：

(a)根据块状结构上的至少二个三方向检测器的输出测定常时微动；

(b)利用测定出的该常时微动波形的水平方向分量和垂直方向分量，计算出在整个振动中所占一定比例的摇摆振动的影响程度；

(c)利用该摇摆振动的影响程度，计算出块状结构上的预先确定的特定位置上的摇摆振动的程度；

(d)根据所计算出的块状结构上的预先确定的特定位置上的摇摆振动的程度超过1的这个判断，给上述块状结构处在相对于倾倒的不稳定状态的评价。

另一方面，本发明的用于一块块状结构相对于倾倒的稳定完整性的评价方法，其特征在于它包括：

(a)将测定用振动加在块状结构上；

(b)根据块状结构上的至少二个三方向检测器的输出测定其振动；

(c)利用测定出的该振动的波形的水平方向分量和垂直方向分量，计算出在整个振动中占一定比例的摇摆振动的影响程度；

(d)利用该摇摆振动的影响程度计算出块状结构上的预先确定的特定位置上的振动的程度；

(e)根据所计算出的块状结构上的预先确定的特定位置上的振动程度超过1的判断，给出上述块状结构处在相对于倾倒的不稳定状态的评价。

刚体结构的稳定完整性与抗倾倒的安全性相关联，且一般认为在存在倾倒危险性的结构的振动中，刚体的摇摆振动是起支配作用的。

图1是表示说明摇摆振动概念的示意图。

图2是表示摇摆振动的上下振动分量的示意图。

图3(a)是表示对本发明的块状结构的稳定完整性进行评价的桥墩的示意图。

图3(b)是表示对用于进行本发明的块状结构的稳定完整性评价的桥墩基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘的事件1的示意图。

图3(c)是表示对用于进行本发明的块状结构物的稳定完整性评价的桥墩基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘的事件2的示意图。

图3(d)是表示对用于进行本发明的块状结构的稳定完整性评价的桥墩基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘后再填充的实验的事件3的示意图。

图3(e)是表示对用于进行本发明的块状结构的稳定完整性评价的桥墩基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘后再填充的实验的事件4的示意图。

图3(f)是表示对用于进行本发明的块状结构的稳定完整性评价的桥墩基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘后再填充试验时的事件5的示意图。

图4是表示将本发明的块状结构稳定完整性的评价方法用在桥墩上的实施例中，首先对桥墩的基础部分进行模拟冲刷掘出式挖掘，然后进行再充填的试验时的各测定事件中的摇摆振动中心位置的示意图。

图5是表示将本发明的块状结构的稳定完整性评价方法用在桥墩上的实施例中，首先对桥墩的基础部分进行模拟冲刷掘出式的挖掘，然后再进行充填的试验时各测定事件中的影响程度ρ和R值的示意图。

图6是表示实际测定结果的示意图。

下面参照附图说明本发明的第一实施例。

在图1和图2中，1是块状结构，3是配置在块状结构物I侧的三方向检测器，13是配置在块状结构II侧的三方向检测器。图中，H₁是检测器3的水平方向的振动分量，H₂是检测器13的水平方向振动分量，V₁是检测器3的上下方向的振动分量，V₂是检测器13的上下方向的振动分量，V_N是除摇摆振动以外的上下方向振动分量，V_R1是与摇振动有关的检测器3的上下方向振动分量，V_R2是与摇摆振动有关的检测器13的上下方向振动分量，B是从块状结构

1的中心到三方向检测器3，13的距离。B₁是从摇摆振动中心A到I侧的三方向检测器3的距离，B₂是从摇摆振动中心A到检测器13的距离，e是从摇摆振动中心A到块状结构1中心的距离，L是从摇摆振动中心到块状结构1上端的距离，θ是摇摆振动的角度。

这样，便可利用图中的符号，根据下式求出上述的L和e

L＝B(H₁+H₂)/(V₁+V₂)

e＝B(V₁-V₂)/(V₁+V₂)

＝B(1-V₂/V₁)/(1+V₂/V₁)

在计算时要用到常时微动的频谱比。

在此，将在块状结构物1上观测到的上下振动分量和水平振动分量，按照以下所述的摇摆振动及其另外的其他振动分别研究。

V₁＝V_R1+V_N

V₂＝V_R2+V_N

H₁＝H₂＝H_R1(H_R2)+H_N

其中，H_R、V_R与摇摆振动有关的水平振动分量和上下振动分量，H_N、V_N是除摇摆振动以外的噪音振动。

从图1中可以看出，当在块状结构1上设置三方向检测器3和13，进行常时微动测定时，可根据该测定结果用

H_R1＝H_R2＝Lθ

V_R1＝B₁θ

V_R2＝B₂θ来表示与摇摆振动有关的水平振动分量和上下振动分量。在这儿，H_R1是与摇摆振动有关的检测器3的水平振动分量，H_R2是与摇摆振动有关的检测器13的水平振动分量。一般把如上所述的摇摆振动认为是与这种上下移动和水平移动具有相关性的振动。

因此，可将在整个振动中，摇摆振动所占的影响程度ρ，用下式定义影响程度 $\mathrm{\ρ}=\frac{{\{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i\×V_i\}}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H_i}^2\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V_i}^2}--\left(1\right)$

在这里，n是采样的数目，H_i(水平分量)是数字化后的第i步骤中的水平振动分量的常时微动振幅值，V_i(上下分量)是数字化后的第i步骤中的上下振动分量的常时微动振幅值。随着被测定的块状结构的水平振动分量与上下振动分量的相关性的增加，即随着摇摆振动逐步成为振动主体，影响程度ρ亦将从0逐渐增加而趋于1。这个变化可被认为是被测定的块状结构基础支持力下降的过程的一种表征。

但是，影响程度ρ是随着从摆动中心到检测器的水平距离(以下简称为检测器的距离)的变化而变化的，从其定义中也可以容易预见到这一点。若使检测的距离在前后测定中保持相同，在各个块状结构中选取同样大小的距离时，可以利用影响程度ρ，对摇摆振动的程度进行相对的比较。但是对于检测器的距离在前后测定时不同的情况下，即在检测器距离相差很大的几个同样块状结构之间，便不能进行这种比较。为此，可以利用下式，计算出与距离无关的、表示摆动振动程度的影响程度ρ的替代指示。

对上述(1)式进行如下的变换影响程度 $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{(1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{L\θ}}_i\right)}^2)}$ $\×\frac{1}{(1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{B\θ}}_i\right)}^2)}--\left(2\right)$

其中，H_Ni是第i步骤中的除摇摆振动以外的水平振动分量，V_Ni是第i步骤中的除摇摆振动以外的上下振动分量，θ_i是第i步骤中的除摇摆振动以外的角度。可以取α作为块状结构上端的振动放大倍数，即有： $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(L{\mathrm{\θ}}_i\right)}^2=1/{\mathrm{\α}}^2$ ，换言之，可以取作为上述(2)式的分母 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{L\θ}}_i\right)}^2=1/{\mathrm{\α}}^2$ 的平方根的倒数的α，为块状结构物上端的振动放大倍数因此，α通常为大于1的值，且即使存在有摇摆振动 $1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(H_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{L\θ}}_i\right)}^2=1+1/{\mathrm{\α}}^2$ 与1相比也大得不多。所以可以用影响程度 $\mathrm{\ρ}\stackrel{\·}{\underset{\·}{=}}\frac{1}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{\mathrm{Ni}}\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{B\θ}}_i\right)}^2}$ ＝1/(1+1/R(B))来近似表示影响程度ρ。

式中，B是从结构物中心到检测器的距离，R(B)可以由下式定义 $R\left(B\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{B\θ}}_i\right)}^2/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{\mathrm{Ni}}\right)}^2=\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})--\left(3\right)$

这时，R(B)表示摇摆振动的上下振动动分量V_R与除摇摆振动以外的上下振动分量V_N的比例。即R(B)与影响程度ρ同样是表示摇摆振动程度的指标。

这里的R(B)还表示检测器的距离为B时的摇摆振动的程度。因此，为了把R(B)作为与检测器距离无关的量，可以按将检测器的距离设为1.0m，按作为表示在该位置上的摇摆振动的量，按下述方式重新对R值定义。利用上述(3)式，可有 $R\left(1\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\text{1.}{\text{0}}_i}^2\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left(V_{\mathrm{Ni}}\right)}^2$ R值＝ρ/β(1-ρ)                              (4)式中β＝(B/1)²＝B²，β是变换系数。

这样，即使对检测器距离与前次测定不相同的情况或检测器距离相同而块状结构不同的情况，也可以利用上述(4)式计算出R值，然后利用该R值就块状结构的稳定性进行相对比较。

另外，由于支持状态越不稳定，摇摆振动就越显著，所以可以根据摇摆振动是否显著、即R值是否超过1，来评价块状结构，相对于倾倒的稳定的完整性。

下面参照附图详细地说明本发明的实施例。

象如图3(a)～(f)所示的那样，对真实桥墩的基础部分进行模拟冲刷挖掘式的挖掘，然后进行再填充的试验。在这里，测定装置，如图4所示，为配置在桥墩两侧的三方向检测器3，13，从这两个三方向检测器3，13输出的信号，被由放大器14A、A/D变换器14B，滤波器14C、微处理器14D组成的测定装置14(见图4)处理后，便可以计算出摇摆振动中心位置L，以及影响程度ρ、R值。

(1)如图3(a)所示，设置在地中11上的作为测定对象的桥墩12，为其全长8.75m，宽3.9m，地上高度3.00m(基础部分的入土深度5.75m)的桥墩，配置在桥墩12的宽度3.9m的两端上的三方向检测器3，13的输出信号，用上述测定装置14进行处理，以测定常时微动，根据该测定出的常时微动波形的水平方向分量和垂直方向分量，利用在整个振动中所占比例的摇摆振动的影响程度ρ，求出在任意位置上的摇摆振动的程度(先进行的测定)。

(2)其后，象图3(b)所示那样，对基础部分进行1.5m的挖掘(基础部分入土深度为4.25m)，然后进行与上述相同的测定(事件1)

(3)其后，按图3(c)所示的那样，对基础部分继续挖掘到3.0m(基础部分入土深度为2.75m)，然后进行测定(事件2)

(4)其后，按图3(d)所示的那样，对桥墩入土部分进行试掘后再进行充填，然后进行测定(事件3)

(5)按图3(d)所示的那样，将挖掘过的基础部分的地方再充填到1.5m(基础部分入土深度为4.25m)，然后进行测定(事件4)。

(6)最后按图3(f)所示的那样，将基础部分再充填到初始状态，然后进行测定(事件5)。

与这些结果相关的上述各测定事件中的摇摆中心位置示出在图4中。也就是说，在事件1中，摇摆中心在0位置处，在事件2中摇摆中心在□的位置处，在事件3中，摇摆中心在△位置上。另外，在图4中，*表示桥墩12的重心。

根据上述情况，可以看出在各测定事件中的摇摆中心位置，随着挖掘量的增加而降低，根据这些试验中的挖掘与实际桥墩的冲刷掘出的相对应的关系，可以发现受到冲刷掘出的桥墩的摇摆中心位置要比未受到冲刷掘出的完整的桥墩低。

上述的各测定事件中的影响程度ρ与R值示出在图5中。即也可以看出，影响程度ρ和R值的变化也同基础部分的挖掘状态相对应。特别是，挖掘量较大的事件2和事件3中的R值，增加的也比较多。

这些实际测定结果示出在图6中。

据此，在先行进行的事件[见图3(a)]中，影响程度ρ在检测器3侧是0.23，在检测器13侧是0.27，R值在检测器3侧是0.09，在检测器13侧是0.10。

与此相对应的是，在事件1中，影响程度ρ在检测器3侧是0.57，在检测器13侧是0.65，R值在检测器3侧是0.44，在检测器13侧是0.50。

在事件2中，影响程度ρ在检测器3侧是0.80，在检测器13侧是0.84，R值在检测器3侧是1.30，在检测器13侧是1.38。

在事件3中，影响程度ρ在检测器3侧是0.81，在检测器13侧是0.84，R值在检测器3侧是1.50，在检测器13侧是1.52。

在事件4中，影响程度ρ在检测器3侧是0.61、在检测器13侧是0.79，R值在检测器3侧是0.61、在检测器13侧是0.81。

在事件5中，影响程度ρ在检测器3侧是0.32、在检测器13侧是0.62，R值在检测器3侧是0.18、在检测器13侧是0.34。

在这些测定事件中，事件2和事件3中的R值是比较大的，超过了1，故可以作出这个桥墩相对于倾倒处在不稳定状态的评价。

另外，例如对于铁路用桥墩的情况，还可以用通过该桥墩的列车，作为施加测定用振动的组件。

虽然以上的实施例是对将本发明的块状结构的稳定完整性评价方法应用在桥墩的情况下进行说明的，但是本发明的块状结构稳定完整性评价方法，也同样可以应用在对桥台、防塌堤、护岸提、斜面上的巨砾、露岩等可能产生刚体移动的块状结构上，从而可以对这些结构相对于倾倒的稳定完整性进行评价。

如以上所述，若采用本发明，便可以在评价块状结构相对于倾倒的稳定完整性时，防止在进行目视检查中存在的漏看问题，并且能发现其内部缺陷，进而可以确保不再出现在进行冲击检测时往往会出现的结构和检查员的安全问题，以及可以进行不受检查场所和时间的限制的方便、全面的多次检查。

Claims (4)

1.一种用于一块块状结构相对于倾倒的稳定完整性的评价方法，其特征在于它包括：

(a)根据块状结构上的至少二个三方向检测器的输出测定常时微动；

(b)利用测定出的该常时微动波形的水平方向分量和垂直方向分量，计算出在整个振动中所占一定比例的摇摆振动的影响程度；

(c)利用该摇摆振动的影响程度，计算出块状结构上的预先确定的特定位置上的摇摆振动的程度；

(d)根据所计算出的块状结构上的预先确定的特定位置上的摇摆振动的程度超过1的这个判断，给上述块状结构处在相对于倾倒的不稳定状态的评价。

2.如权利要求1所述的用于一块块状结构的稳定完整性的评价方法，其特征在于上述块状结构是下部埋入在地中的桥墩、桥台、防塌堤和护岸堤等块状结构。

3.一种用于一块块状结构相对于倾倒的稳定完整性的评价方法，其特征在于它包括：

(a)将测定用振动加在块状结构上；

(b)根据块状结构上的至少二个三方向检测器的输出测定其振动；

(c)利用测定出的该振动的波形的水平方向分量和垂直方向分量，计算出在整个振动中占一定比例的摇摆振动的影响程度；

(d)利用该摇摆振动的影响程度计算出块状结构上的预先确定的特定位置上的振动的程度；

(e)根据所计算出的块状结构上的预先确定的特定位置上的振动程度超过1的判断，给出上述块状结构处在相对于倾倒的不稳定状态的评价。

4.如权利要求3所述的用于一块块状结构的稳定完整性的评价方法，其特征在于上述块状结构是下部埋入在地中的桥墩、桥台、防塌堤和防岸堤等块状结构。

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