CN111581867B - 一种桥梁损伤快速检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种桥梁快速损伤检测方法，移动车辆经过桥梁损伤区域会导致部分在桥梁无载情况下闭合的混凝土局部裂缝在短时间内开启，裂缝的开合引起结构刚度的改变，表现在短时间内桥梁频率的变化。可以通过移动车辆激励前后桥梁响应频率的相对变化判断桥梁状态，通过车辆合理选型和选取短时间内车辆上桥前环境振动，上桥后车桥耦合振动和下桥后桥梁余振三段信号分析，规避了车辆、温度和边界条件等因素对损伤检测所需频率的影响。该方法不需要基准先验数据，对测点位置不敏感，能有效识别损伤。具有良好的应用前景。

Description

一种桥梁损伤快速检测方法
技术领域
本发明属于土木工程应用技术领域，特别是涉及一种基于移动车辆激励前后结构频率变化的桥梁快速损伤检测方法。
背景技术
基于桥梁动力特性的桥梁损伤快速检测因其非破坏性、经济性和便捷性被广泛研究。相关方法通常是基于由损伤引起的如固有频率、模态振型和阻尼比等结构模态参数的改变。其中基于模态振型的方法需要较多的测点，测试过程较为繁琐，且由于测试信息不完备和测试噪声等因素导致测试精度较固有频率低。基于阻尼比的方法同样存在测试精度低和对环境因素敏感等问题。相比之下，基于结构固有频率的损伤检测方法测试精度较高，易于测试，理论上使用任一传感器在结构任意可接近点均能测得固有频率。
基于固有频率的损伤检测方法为结构损伤识别以及更进一步的损伤定位和定量提供了多种途径。但这些方法还面临着一些共性的挑战。首先是环境噪声的影响以及基于移动车辆激励损伤检测方法中路面不平顺的影响，理论清晰的解析方法往往难以考虑这一问题，少量数值模拟中引入概率统计的方法或结合神经网络来解决噪声问题，试验研究极少考虑噪声和路面不平顺影响且多采用损伤相对明确且信噪比高的金属试件，对实际中如应用到损伤混凝土梁检测的有效性还有待验证。其次是受温度、边界条件改变等环境因素影响较大。环境因素和运营条件经常会引起桥梁近10％的频率变化。最后是依赖完好结构模型或完好结构特征数据，上述绝大多数方法尤其是损伤的定位和定量都需要准确的先验数据，基于神经网络等优化方法的损伤识别则需要大量的先验训练数据，这在实际应用中显然有诸多不便。而少量不需要先验数据的损伤检测方法又往往是基于信号或其衍生特征指标的奇异性，如采用小波变换等方法从特征频率曲线中提取突变值，这类方法又极易受到环境噪声和路面不平顺的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于移动车辆激励前后结构频率变化的桥梁快速损伤检测方法，规避了车辆、温度和边界条件等因素对损伤检测所需频率的影响。该方法不需要基准先验数据，对测点位置不敏感，能有效识别损伤。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种桥梁快速损伤检测方法，基于移动车辆激励前后结构频率的变化，包括以下步骤：
步骤一：确定检测桥梁的前n阶固有频率
Figure BDA0002497113530000021
j为阶次，j＝1,2...n；对于具有基准有限元模型的桥梁通过数值模拟计算，没有基准有限元模型的桥梁通过一个测点的动态数据得到所需的前n阶固有频率；
步骤二：确定测试所用车辆参数；
步骤三：通过调整测试车辆载重重量，使车辆与桥梁在某阶固有频率达到近似共振，即车辆的第b阶固有频率
Figure BDA0002497113530000022
与桥梁第m阶固有频率
Figure BDA0002497113530000023
相等；
步骤四：在桥梁上与第m阶固有频率振型节点的位置不相同的位置布置加速度传感器；
步骤五：开始测试，车辆位于引桥段，采集车辆进入主桥前T1时间段内桥梁振动信号，T1时间段数据为环境激励下桥梁动力响应；
步骤六：通过光电传感器或桥梁加速度信号突变值判断车辆上桥和下桥状态，采集车辆在主桥内行驶T2时间段内桥梁振动信号，T2时间段数据为车桥耦合作用下桥梁动力响应；
步骤七：采集车辆下桥后T3时间段内桥梁振动信号，T3时间段数据为桥梁余振动力响应；
步骤八：分别对T1、T2和T3时间段数据进行快速傅里叶变化得到桥梁的各阶测试频率
Figure BDA0002497113530000024
和
Figure BDA0002497113530000025
其中j＝1,2,3...n；
步骤九：若
Figure BDA0002497113530000026
εj取桥梁预估各阶频率的0.5％，则数据无效；若有
Figure BDA0002497113530000027
则认为桥梁的各阶固有频率的测试值真实有效，进入下一步计算；
步骤十：定义损伤指标为
Figure BDA0002497113530000028
其中，n为损伤检测选用固有频率阶次的总数；
重复n组测试并通过上式带入步骤八中的数据
Figure BDA0002497113530000029
和
Figure BDA00024971135300000210
得到损伤指标D1、D2...Dn，计算n组数据损伤指标均值为
Figure BDA00024971135300000211
若
Figure BDA00024971135300000212
Dt为损伤指标经验阈值，则认为该桥梁存在损伤。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明所提出的损伤检测方法不需要先验数据和基准模型，解决了绝大多数基于固有频率桥梁损伤检测方法需要基准模型的问题。
2.本发明所提出的损伤检测方法不受桥梁边界条件、温度等环境随机性的影响，解决了现有多数基于固有频率桥梁损伤检测方法对环境因素影响敏感的问题。
3.本发明所提出的损伤检测方法不受路面不平顺影响，解决了现有多数基于移动车辆加载桥梁损伤检测方法对路面不平顺影响敏感的问题。
4.本发明所提出的损伤检测方法基于固有频率测试，测试简单准确，损伤识别结果对测点不敏感，具有较好的便捷性和实用性。
附图说明
图1为本发明的桥梁快速损伤检测方法的整体流程示意图；
图2为实测中损伤检测布置示意图；
图3为实施例中试验装置布置示意图；
图4为实施例中移动加载小车力学模型；
图5为实施例中移动加载小车不同车重下主频图；
图6为实施例中预设梁体损伤示意图；
图7为实施例中完好梁与损伤梁损伤指标对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相关研究表明，受荷状态下桥梁部分闭合的裂缝开启，部分已开裂裂缝开裂高度增加，综合表现为结构局部刚度的降低。车辆荷载一方面自重较大，另一方面可以通过调整车辆固有频率使其与桥梁某阶固有频率接近共振。在车辆荷载作用下能够较为明显的改变桥梁局部的瞬时刚度。
不考虑其他因素对桥梁频率的影响。对于完好梁，车桥耦合作用下桥梁响应和无车作用下桥梁响应测得的桥梁各阶固有频率一致；对于损伤梁，车桥耦合作用下桥梁响应测得的桥梁各阶固有频率小于无车作用(环境激励或桥梁余振)下桥梁响应测得的固有频率。
图1所示为本发明的一种基于移动车辆激励前后结构频率变化的桥梁快速损伤检测方法的整体流程图。
图2所示为某三跨简支梁桥，以检测第二跨健康状态为例，可以通过传感器1、传感器2和传感器3采集车辆进入第二跨前(环境振动)，位于第二跨(车桥耦合振动)和离开第二跨(桥梁余振)三段时间的加速度时程数据。对三段数据进行处理分析，可以通过是否存在固有频率差异判断桥梁是否损伤。
在本实施例中，在实验室条件下制作了钢筋混凝土简支T梁和具有弹簧和阻尼的双轴移动加载小车，对完好梁和损伤梁体分别进行了跑车试验。收集小车上桥前梁体环境振动信号、上桥后梁体车桥耦合振动信号和下桥后梁体余振信号，采用本发明所述方法对梁体进行损伤识别。
试验布置如图3所示，包括三片T型截面混凝土梁，分别作为引导小车上桥的加速段，测试段和小车下桥后的减速段。三片梁实际长度均为5.2m，每片梁支座间的计算跨径为5.0m。采集频率为200Hz。加载小车参照图4所示的力学模型制作，是一个在车体和车轴间安装了弹簧和阻尼器的双轴小车。车辆的轴距为0.6m，前后轴自重均为15kg且均匀负载。加载小车具体参数详见表1。试验中采用的加载小车的固有频率以实测为准，如图5所示为不同载重下加载小车环境振动下的主频。采用卷扬机通过绕过定滑轮的钢丝绳牵引加载小车匀速通过混凝土梁。卷扬机牵引速度为0～0.5m/s。此外，在小车的两侧安装了限位器保证小车行进不偏离梁体。
表1试验车辆参数
Figure BDA0002497113530000041
试验车重为80kg，车速为0.2m/s。梁体状态分为两种：完好梁和损伤梁。梁体损伤状态采用如图6所示的四点加载系统分级加载，最终的总荷载为16.1kN，接近梁体的计算极限荷载，未出现主筋的屈服。最大的裂缝距主梁中心240mm，深度198mm(0.57倍梁高)，最大裂缝宽度0.22mm。持载20min后卸载，梁底部的裂缝宽度减小到0.04mm，测得开裂损伤区域宽2297mm。
在本试验中，取Dt＝2.0％为损伤阈值。由图5可知，试验所采用的80kg加载小车主频为23.6Hz，与桥梁基频较为接近，可认为对于完好梁该车辆作用下桥梁测试频率与无车作用下桥梁测试频率近似相等。图7为实施例中完好梁与损伤梁损伤指标对比图，试验中完好梁的测试结果也证明了这一结果(实际的无基准模型损伤检测中无法得到该先验数据)。而损伤梁无车作用下桥梁基频为19.6Hz，车辆作用下桥梁基频为18.7Hz，损伤指标D＝4.6％＞Dt＝2.0％，表明该桥梁存在损伤。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种桥梁损伤快速检测方法，基于移动车辆激励前后结构频率的变化，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定检测桥梁的前n阶固有频率
Figure FDA0003644505500000011
j为阶次，j＝1,2...n；对于具有基准有限元模型的桥梁通过数值模拟计算，没有基准有限元模型的桥梁通过一个测点的动态数据得到所需的前n阶固有频率；
步骤二：确定测试所用车辆参数；
步骤三：通过调整测试车辆载重重量，使车辆与桥梁在某阶固有频率达到共振，即车辆的第b阶固有频率
Figure FDA0003644505500000012
与桥梁第m阶固有频率
Figure FDA0003644505500000013
相等；
步骤四：在桥梁上与第m阶固有频率振型节点的位置不相同的位置布置加速度传感器；
步骤五：开始测试，车辆位于引桥段，采集车辆进入主桥前T1时间段内桥梁振动信号，T1时间段数据为环境激励下桥梁动力响应；
步骤六：通过光电传感器或桥梁加速度信号突变值判断车辆上桥和下桥状态，采集车辆在主桥内行驶T2时间段内桥梁振动信号，T2时间段数据为车桥耦合作用下桥梁动力响应；
步骤七：采集车辆下桥后T3时间段内桥梁振动信号，T3时间段数据为桥梁余振动力响应；
步骤八：分别对T1、T2和T3时间段数据进行快速傅里叶变化得到桥梁的各阶测试频率
Figure FDA0003644505500000014
和
Figure FDA0003644505500000015
其中j＝1,2,3...n；
步骤九：若
Figure FDA0003644505500000016
εj取桥梁预估各阶测试频率的0.5％，则数据无效；若有
Figure FDA0003644505500000017
则认为桥梁的各阶固有频率的测试值真实有效，进入下一步计算；
步骤十：定义损伤指标为
Figure FDA0003644505500000018
其中，n为损伤检测选用固有频率阶次的总数；
重复n组测试并通过上式带入步骤八中的数据
Figure FDA0003644505500000019
和
Figure FDA00036445055000000110
得到损伤指标D1、D2...Dn，计算n组数据损伤指标均值为
Figure FDA00036445055000000111
若
Figure FDA00036445055000000112
Dt为损伤指标经验阈值，则认为该桥梁存在损伤。
2.根据权利要求1所述一种桥梁损伤快速检测方法，其特征在于，步骤二中首先使车内载货量为二分之一最大载货重量，采用车辆实测频率数据，得到车辆前a阶固有频率
Figure FDA00036445055000000113
i为阶次，i＝1,2...a；若车辆的第b阶固有频率
Figure FDA00036445055000000114
与桥梁的第m阶固有频率
Figure FDA00036445055000000115
相同，则选取第m阶桥梁固有频率
Figure FDA0003644505500000021
作为损伤检测的基准频率；若有两组以上频率，选取低阶频率作为基准频率。
3.根据权利要求1所述一种桥梁损伤快速检测方法，其特征在于，步骤四中布置若干个传感器通过统计规律消除偶然影响因素。
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