CN114964667B - 一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法 - Google Patents

一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及桥梁损伤检测技术领域，涉及一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，包括理论过程和实施过程，理论过程包括：一：建立了三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型；二：对三吊杆下承式系杆拱桥力学模型施加移动单位荷载，并在其余吊杆位置处进行准静态应变影响线数据采集工作；三：建立三次超静定力法方程；四：计算分析理论模型中吊杆应变影响线差值曲线，进行损伤识别；五：提出应变影响线差值微分曲线，建立应变影响线差值曲率的损伤识别指标；本发明通过对多根吊杆读取数据，可对梁结构损伤进行准确定位与定量，提升损伤检测的稳定性，为应变影响线在结构损伤诊断中的应用提供理论参考。

Description

一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法
技术领域
本发明涉及桥梁损伤检测技术领域，具体地说，涉及一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法。
背景技术
近年已有很多桥梁安装了桥梁健康监测系统，桥梁健康监测的核心是对桥梁的损伤评估。基于动力参数识别损伤的方法有频响函数、固有频率、应变模态等。静力测试数据相对于动力测试数据具有获取简单、准确性好、稳定性高的优点，而基于影响线避免了布置大量传感器的琐碎工作，同时处理数据也相对简单，能精确识别局部损伤；
在桥梁发生结构损伤后,产生的最直接的影响就是桥梁刚性程度的下降，产生的应变影响线也将发生变化，当桥梁结构上存在移动荷载时,关键位置的弯曲正应变也随其位置产生变化,据此建立应变影响线函数应变是一种局部指标,对于局部损伤识别具有良好的识别效果。因此,应变影响线在局部损伤识别上具有极大的优势。如何通过系杆拱桥吊杆损伤前后应变变化曲线进行损伤评估，是本领域技术人员尚待解决的问题。
发明内容
本发明的内容是提供一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
根据本发明的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其包括理论过程和实施过程，理论过程包括以下步骤：
步骤一：基于拱桥力学特征以及便于公式的理论分析，推导三根吊杆时拱桥的力学响应结果，根据受力特性简化分析并建立了三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型；
步骤二：对三吊杆下承式系杆拱桥力学模型施加移动单位荷载，并在其余吊杆位置处进行准静态应变影响线数据采集工作；
步骤三：基于力法原理，针对承式系杆拱桥结构力学模型，通过三个多余约束力替代吊杆力，建立三次超静定力法方程；
步骤四：计算分析理论模型中吊杆应变影响线差值曲线，基于应变影响线差值曲线在无损状态下为常数、损伤状态下出现峰值，进行损伤识别；
步骤五：提出应变影响线差值微分曲线，建立应变影响线差值曲率的损伤识别指标；
实施过程包括以下步骤：
S1：在拱桥上安装应变测试系统；
S2：在多根吊杆上采集应变数据；
S3：对检测到的应变数据处理，得到应变影响线；
S4：对应变影响线进行中心差分法及微分处理得到应变影响线差值微分类曲线；
S5：判断应变影响线曲线图像是否突变；
S6：根据读取数据位置判断损伤位置和损伤数量。
作为优选，步骤一中，下承式系杆拱桥中吊杆承受轴力而不承受弯矩，因此步骤一中考虑轴力，忽略弯矩。
作为优选，步骤一中，依据三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型进行分析，并扩展出多根吊杆数目的适用性。
作为优选，步骤五中，应变影响线差值数据由数据差分得出，依据中心差分法和数学求导知识对应变影响线差值数据进行处理得到应变影响线差值微分曲线。
作为优选，步骤S2中，首先选择加载重车，通过控制加载车辆移速一致，使加载的桥梁虚拟加载节点相同，进行准静态影响线加载并提取记录应变响应数据。
作为优选，步骤S2中，针对无损伤下的应变影响线数据，一方面通过精细化有限元模型提取，另一方面在同桥型的另一桥跨位置进行加载检测无损伤数据。
作为优选，步骤S5中，根据图像凸起峰值及个数，找到损伤可疑点，通过多组不同吊杆进行数据处理。
本发明立足于实际拱桥中吊杆损伤检测，首先根据拱桥力学受力特性建立了三吊杆下承式系杆拱桥力学模型，推导出该模型的吊杆应变影响线解析式，针对吊杆损伤识别提出一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，通过数值模拟验证了应变影响线差值及微分可以良好的识别中、下承式系杆拱桥吊杆损伤情况；理论上只需要在个别吊杆处设置测点，节省了监测传感器的用量，在实际应用可通过对多根吊杆读取数据，可对梁结构损伤进行准确定位与定量，提升损伤检测的稳定性，为应变影响线在结构损伤诊断中的应用提供理论参考。
附图说明
图1为实施例1中一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法的流程图；
图2是实施例1中三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型示意图；
图3是实施例1中三吊杆下承式系杆拱桥结构力学简化模型示意图；
图4是实施例2中所提供的某下承式系杆拱桥吊杆编号示意图；
图5是实施例2中下承式系杆拱桥midas/civil模型示意图；
图6是实施例2中奇数吊杆模型测点布置及损伤位置示意图；
图7是实施例2中下承式系杆拱桥奇数吊杆模型工况1损伤识别结果示意图；
图8是实施例2中下承式系杆拱桥奇数吊杆模型工况2损伤识别结果示意图；
图9是实施例2中下承式系杆拱桥奇数吊杆模型工况3损伤识别结果示意图；
图10是实施例2中含噪声工况4损伤的奇数吊杆模型结果示意图；
图11是实施例2中多构件损伤工况5的奇数吊杆模型结果示意图；
图12是实施例2中偶数吊杆模型测点布置及损伤位置示意图；
图13是实施例2中偶数吊杆模型工况6损伤识别结果示意图；
图14是实施例2中偶数吊杆模型工况7损伤识别结果示意图；
图15是实施例2中偶数吊杆模型工况8损伤识别结果示意图；
图16是实施例3中承式系杆拱桥midas/civil模型示意图；
图17是实施例3中承式系杆拱桥测点布置及损伤位置示意图；
图18是实施例3中承式系杆拱桥工况9损伤识别结果示意图；
图19是实施例3中承式系杆拱桥工况10损伤识别结果示意图；
图20是实施例3中实际工程中加载车辆简化示意图；
图21是实际工程中加载车辆布局及行驶示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其包括理论过程和实施过程，理论过程包括以下步骤：
步骤一：基于拱桥力学特征以及便于公式的理论分析，推导三根吊杆时拱桥的力学响应结果，根据受力特性简化分析并建立了三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型，如图2所示；
假设结构：(1)拱桥的建筑材料始终处于线弹性阶段；(2)假设损伤位置互不影响；(3)忽略吊杆的温度变形、弹性变形；
如图3所示，根据吊杆仅受拉的特点，在对应吊杆下方设置仅受压弹簧以替代吊杆作用，将模型简化；
如图2所示，建立影响线加载模式下系杆拱桥力学模型，定义模型的跨径为4l，假设吊杆损伤前后的弹性系数分别为K、Ks，各吊杆的弹性系数为Ki，吊杆长度为hi；
探究损伤发生且由于损伤分别产生向下位移为c的变形位移；
步骤一中，下承式系杆拱桥中吊杆承受轴力而不承受弯矩，因此步骤一中考虑轴力，忽略弯矩。步骤一中，依据三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型进行分析，并扩展出多根吊杆数目的适用性。
步骤二：对三吊杆下承式系杆拱桥力学模型施加移动单位荷载，移动集中力大小为F＝P，利用移动集中力进行准静态加载，并在其余吊杆位置处进行准静态应变影响线数据采集工作；
步骤三：基于力法原理，针对承式系杆拱桥结构力学模型，通过三个多余约束力替代吊杆力，建立B、C、D三点的位移协调方程，得到损伤前后力法公式如下：
Figure BDA0003590667170000051
Figure BDA0003590667170000052
Figure BDA0003590667170000053
式(1)、(2)、(3)分别表示吊杆无损伤、跨中吊杆损伤和1/4处吊杆损伤；
依据结构力学图乘法计算出该结构的柔度系数δij和自由项ΔiP；
Figure BDA0003590667170000061
将柔度系数和自由项代入力法方程中，可得到吊杆在损伤前后的应变影响线解析表达式；
Figure BDA0003590667170000062
其中Φ，αi，βi，
Figure BDA0003590667170000063
ηi都是关于E、I、l、c有关的常数定值，如下：
Φ＝112K1K2K3L9+1104K1K2EIL6+1104K2K3EIL6+1536K1K3EIL6+5184K1E2I2L3+9216K2E2I2L3+5184K3E2I2L3+6912E3I3
Figure BDA0003590667170000071
Figure BDA0003590667170000072
Figure BDA0003590667170000073
Figure BDA0003590667170000074
Figure BDA0003590667170000075
Figure BDA0003590667170000076
步骤四：计算分析理论模型中吊杆应变影响线差值曲线，基于应变影响线差值曲线在无损状态下为常数、损伤状态下出现峰值，进行损伤识别；
对损伤前、后吊杆应变影响线解析式进行做差处理，得到损伤吊杆的损伤指标：
Figure BDA0003590667170000077
通过上式发现，若吊杆发生损伤，可依据其余吊杆的应变差值影响线定位损伤位置：当下承式系杆拱桥处于无损状态，此时结构的弹性系数K＝Ks且c＝0，故无论梁上单位移动载荷P在何位置，应变差值影响线解析式的结果均为常数；而当下承式系杆拱桥处于损伤状态时，应变差值影响线解析式却是一个多参数函数解析式。
步骤五：提出应变影响线差值微分曲线，建立应变影响线差值曲率的损伤识别指标；应变影响线差值数据由数据差分得出，依据中心差分法和数学求导知识对应变影响线差值数据进行处理得到应变影响线差值微分曲线。
为提高损伤识别的精确性，对吊杆应变影响线进行求导处理，发现通过求导处理后的识别效果更为明显，在此以二阶微分为例，提出应变影响线差值曲率的损伤指标：
Figure BDA0003590667170000081
通过上式发现，若吊杆发生损伤，可依据其余吊杆的应变差值影响线定位损伤位置：当下承式系杆拱桥处于无损状态，此时结构的弹性系数K＝Ks且c＝0，故无论梁上单位移动载荷P在何位置，应变差值影响线解析式的结果均为0；而当下承式系杆拱桥处于损伤状态时，应变差值影响线解析式却是一个多参数函数解析式。
依据中心差分法对应变影响线数据进行处理，为减小数据处理带来的误差，其数据处理公式为：
Figure BDA0003590667170000082
式中R为吊杆损伤前后应变差值曲率；Yi-1、Yi、Yi+1分别是测点i-1、i、i+1处损伤前后应变差值；Si、Si+1分别是测点i-1与i、i与i+1的间距。
实施过程包括以下步骤：
S1：在拱桥上安装应变测试系统；
S2：在多根吊杆上采集应变数据；
S3：对检测到的应变数据处理，得到应变影响线；
S4：对应变影响线进行中心差分法及微分处理得到应变影响线差值微分类曲线；
S5：判断应变影响线曲线图像是否突变；
S6：根据读取数据位置判断损伤位置和损伤数量。
步骤S2中，首先选择加载重车，通过控制加载车辆移速一致，使加载的桥梁虚拟加载节点相同，进行准静态影响线加载并提取记录应变响应数据。
步骤S2中，针对无损伤下的应变影响线数据，一方面通过精细化有限元模型提取，另一方面在同桥型的另一桥跨位置进行加载检测无损伤数据。
步骤S5中，根据图像凸起峰值及个数，找到损伤可疑点，通过多组不同吊杆进行数据处理。
实施例2
本实施例将验证准静态应变影响线的拱桥吊杆损伤识别方法在下承式系杆拱桥损伤识别情况，鉴于理论公式推导是基于奇数吊杆，在此分为吊杆奇数和偶数情况讨论，并通过少数吊杆衍生至多数吊杆适用范围；
在算例验证过程中，通过改变单元弹性模量模拟损伤，用弹模下降百分比拟定损伤程度；
(1)首先验证该方法对单侧奇数吊杆数的下承式系杆拱桥损伤识别效果；
如图4-6所示，某下承式系杆拱桥的总长度为80m，为了使应变影响线的识别效果更佳，现设定每个梁单元的长度为5.714m，共计14个单元，共有85个节点。吊杆的截面是实腹圆形截面，直径D为0.0519m。该下承式系杆拱桥的有限元结构力学模型中混凝土材料的强度等级为C50；
通过100KN的移动荷载力对模型进行加载，设85个移动加载步骤Si，加载步间距为0.952m，作用在纵梁节点上；
损伤工况1-3见下表，分别验证在单一损伤、两处损伤及不同测点对损伤识别效果的影响；为检验应变影响线差值曲率法识别吊杆损伤的抗噪性，设置含噪声损伤工况4，噪声采用截尾高斯分布的方式引入，利用含噪声应变数据构造损伤指标以验证所提方法的抗噪性；为检验应变影响线差值曲率法在其他构件发生损伤时吊杆损伤识别效果，设置系梁损伤工况5，下表为损伤工况说明；
Figure BDA0003590667170000101
对下承式系杆拱桥进行移动集中力加载并提取损伤前、后测点的应变影响线，通过中心差分法及微分对数据处理，绘制应变影响线差值曲率结果图7-11；
由图7所示，模拟单一吊杆损伤时，发现既定损伤位置邻域出现峰值，因此该方法可以识别单一损伤吊杆的损伤情况；
由图8所示，可以良好的识别多处吊杆损伤情况，进一步发现即使吊杆在相同的损伤程度下产生的损伤指标值也不同；
由图9所示，由于不同测量位置所提取出的动力响应数据不同，因而尽管在测点位置分析图中图像不够显著，但可以发现该方法可以在不同检测位置均可以有效识别损伤；
由图10抗噪性实验所示，该方法具有良好的抗干扰能力；
由图11所示，在其他构件发生损伤时，仍可以准确地对吊杆损伤进行诊断；
(2)接下来验证该方法对单侧偶数吊杆数的下承式系杆拱桥损伤识别效果；
计算跨径63.8m，主桥桥面行车道宽度为7.4m。共设有22根吊杆，吊杆间中心距4.9m，设计截面为实腹圆形截面，直径D为0.085m。两拱肋间设5道一字横撑。该下承式系杆拱桥的有限元结构力学模型中混凝土材料的强度等级为C40；通过98kN的移动荷载力对模型进行加载，设117个加载步骤Si，加载间距为0.55m，均匀作用在纵梁节点上；
引入三种损伤工况，损伤位置与测点见图12，工况一探究吊杆单一损伤，工况二为两处损伤，工况三探究不同测点的损伤识别效果，损伤实现方式同实施例2中单侧奇数吊杆数；
Figure BDA0003590667170000111
在模型上依次施加准静态移动集中力，荷载大小为196kN，荷载移动步长为0.55m，共有117个加载步，提取吊杆应变影响线。通过origin绘制识别结果曲线见图13-15；损伤识别结果同奇数吊杆模型结果，表明提出的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线差值微分法可以有效识别下承式系杆拱桥吊杆构件损伤；
实施例3
本实施例将验证该方法对于中承式系杆拱桥吊杆的损伤识别情况；
如图16所示，该中承式系杆拱桥midas/civil模型计算跨径34.48m，共设有10根吊杆，吊杆间中心距5m，设计截面为实腹圆形截面，直径D为0.055m，采用Strand1860材料。该中承式系杆拱桥的混凝土材料的强度等级为C50；通过200kN的移动荷载力对模型进行加载，设75个加载步骤Si，均匀作用在纵梁节点上；
同实施例2，拟定引入单一损伤工况9和两处损伤工况10，损伤位置与测点见图17，损伤实现方式同实施例2；
Figure BDA0003590667170000112
提取吊杆应变影响线。通过origin绘制识别结果曲线见图18、19；中承式系杆拱桥实施例3损伤识别结果表明，应变影响线差值曲率及高阶微分可以有效识别吊杆构件损伤。基本结论同下承式系杆拱桥实施例2；
本发明立足实际桥梁中损伤检测，通过建立理论模型及有限元分析模型，推导出该模型的吊杆应变影响线解析式，针对吊杆损伤识别提出一种新的方法，通过三种模型验证了应变影响线差值及高阶微分可以良好的识别中、下承式系杆拱桥吊杆损伤情况，故而提出了一种拱桥吊杆损伤识别的应变影响线分析方法；
根据不同下承式系杆拱桥算例表明，所提方法可用于对拱桥吊杆进行损伤识别，在实际应用可通过对多根吊杆读取数据，提升损伤检测的稳定性；
基于上述言论，本发明所提出一种拱桥吊杆损伤识别的分析方法在理论与有限元中得到了很好的验证，接下来将给出车辆具体加载实施方案；
在实际工程中可以采用加载重车递增的加载方案，加载车辆示意图和加载车辆布局及行驶示意图见图20、图21。
选择一辆加载重车，将每车简化为相对位置相同、数值大小不同的集中力P。通过控制加载车辆车速一致，使加载的桥梁虚拟加载节点相同。如针对100m的拱桥，在桥面100m的位置以V＝18km/h的速度行驶，应变检测以0.2秒记录，则行驶需要20秒，记录100组数据；
伴随着重量递增的方式进行多次准静态影响线加载并提取记录应变响应数据，减少计算误差；将测得的应变影响线数据同倍率放大及平均化处理，得出对应集中力加载下的应变影响线可以用于识别拱桥吊杆损伤；
依据桥梁初始数据及测量同桥型的其他位置影响线可以得到无损伤时的应变影响线，或者可在精细化有限元模型中提取数据，再与之分析处理，达到损伤识别的作用。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：包括理论过程和实施过程，理论过程包括以下步骤：
步骤一：基于拱桥力学特征以及便于公式的理论分析，推导三根吊杆时拱桥的力学响应结果，根据受力特性简化分析并建立了三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型；
步骤二：对三吊杆下承式系杆拱桥力学模型施加移动单位荷载，并在其余吊杆位置处进行准静态应变影响线数据采集工作；
步骤三：基于力法原理，针对承式系杆拱桥结构力学模型，通过三个多余约束力替代吊杆力，建立三次超静定力法方程；
步骤四：计算分析理论模型中吊杆应变影响线差值曲线，基于应变影响线差值曲线在无损状态下为常数、损伤状态下出现峰值，进行损伤识别；
步骤五：提出应变影响线差值微分曲线，建立应变影响线差值曲率的损伤识别指标；
实施过程包括以下步骤：
S1：在拱桥上安装应变测试系统；
S2：在多根吊杆上采集应变数据；
S3：对检测到的应变数据处理，得到应变影响线；
S4：对应变影响线进行中心差分法及微分处理得到应变影响线差值微分类曲线；
S5：判断应变影响线曲线图像是否突变；
S6：根据读取数据位置判断损伤位置和损伤数量。
2.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤一中，下承式系杆拱桥中吊杆承受轴力而不承受弯矩，因此步骤一中考虑轴力，忽略弯矩。
3.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤一中，依据三吊杆下承式系杆拱桥结构力学模型进行分析，并扩展出多根吊杆数目的适用性。
4.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤五中，应变影响线差值数据由数据差分得出，依据中心差分法和数学求导知识对应变影响线差值数据进行处理得到应变影响线差值微分曲线。
5.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤S2中，首先选择加载重车，通过控制加载车辆移速一致，使加载的桥梁虚拟加载节点相同，进行准静态影响线加载并提取记录应变响应数据。
6.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤S2中，针对无损伤下的应变影响线数据，一方面通过精细化有限元模型提取，另一方面在同桥型的另一桥跨位置进行加载检测无损伤数据。
7.根据权利要求1所述的一种用于识别拱桥吊杆损伤的应变影响线方法，其特征在于：步骤S5中，根据图像凸起峰值及个数，找到损伤可疑点，通过多组不同吊杆进行数据处理。
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