CN115326322A - 基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法 - Google Patents

基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法 Download PDF

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CN115326322A CN202210708190.7A CN202210708190A CN115326322A CN 115326322 A CN115326322 A CN 115326322A CN 202210708190 A CN202210708190 A CN 202210708190A CN 115326322 A CN115326322 A CN 115326322A
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欧阳耀
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Abstract

本发明涉及基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别及状态评估方法，包括以下步骤：使用若干长标距应变传感器按一定密度对被监测桥梁进行区域覆盖；采集移动车辆荷载行驶通过被监测大跨变截面连续梁桥的长标距应变响应；随机挑选若干样本数据进行分析，减小测量误差；对所测得的数据进行求解，提取静态长标距应变信号，得到长标距应变时程曲线；求解长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制长标距应变影响线；对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。本发明能在不影响运营交通的情况下实现对大跨变截面连续梁桥梁损伤状况的快速评估，得到桥梁的刚度退化情况，极大提高了监测效率，为桥梁的运营安全提供了保障。

Description

基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法
技术领域
本发明涉及桥梁结构及传感监测技术领域，具体是一种车辆荷载下基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别及状态评估方法。
背景技术
公路桥梁是高速交通系统中的关键结构，由于日益严重的超载现象、日复一日的车辆荷载循环导致桥梁结构退化，结构的突然失效可能会造成生命和财产的重大损失，因此桥梁的损伤识别受到科学界和工程界研究人员的广泛关注，开展对既有公路桥梁的健康监测研究显得尤为迫切，维护桥梁健康状况对公路的安全运营至关重要。诸多学者针对此类问题提出了各种方法，但大都是通过测试桥梁振动、位移、应变实现对桥梁进行健康监测，由于健康监测系统较贵的安装维护成本在中小跨径的桥梁中研究较少，上述方法通常用于大跨径的桥梁。其中应变影响线理论也被用于结构健康监测，主要包括应变影响线和位移影响线。应变影响线理论首先是用于桥梁的车辆荷载识别，由于传统应变传感器是“点式”测量，测量范围过于局部，并不能获取完整结构的应变，尤其是桥梁这种长跨结构，满布应变计显然不现实，因此应变影响线理论并未运有效用于实际桥梁结构的刚度退化识别和刚度监测。以往基于分布式宏应变的桥梁损伤识别方法主要针对中小跨等截面的桥梁，在采用该技术对大跨变截面桥进行损伤识别及状态评估时，因为桥梁截面高度的不断变化导致原有方法失去有效性，本发明针对这一难题，推导了大跨变截面连续梁桥刚度与宏应变的力学关系、提出了大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法及状态评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，具体包括以下步骤：
1)布置传感器：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
2)采集数据：采集移动车辆荷载行驶通过被监测桥梁的长标距应变响应；
3)数据分析：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，多次监测求取平均值，以提高监测准确性；
4)求解得出准静态应变时程曲线：对所测得的大跨变截面连续梁桥长标距应变数据根据本文发明提供的算法进行求解，提取大跨桥梁准态长标距应变信号，得到准静态应变时程曲线；
5)求解并构成应变影响线：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线随时间的积分值大小，构成大跨变截面连续刚构桥的应变影响线；
6)计算桥梁的刚度退化评估指标；
7)分析得出结果：根据评价指标，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况及损伤识别结果；
8)损伤定位和评估：根据评估指标进行大跨变截面连续梁桥的损伤定位和损伤量化评估。
作为一种优选方案，大跨变截面连续梁桥包括混凝土桥或钢桥、预应力和非预应力的连续刚构桥，桥梁结构类型不受桥梁材料限制。
作为一种优选方案，大跨变截面连续桥梁截面不受限制，包括但不限于箱型截面、T型截面。
作为一种优选方案，步骤1)中所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器、长标距的电阻应变传感器中的至少一种。
作为一种优选方案，步骤2)中所述车辆不受车辆食宿、类型和轴重影响，车辆荷载为任意车辆荷载，包括但不限于汽车、普通卡车、平板挂车，不受车辆轴数限制。
作为一种优选方案，评估时不影响正常公路运行，不需要空窗时间，可直接采用车辆运行荷载进行评估。
作为一种优选方案，可进行局部损伤定位和损伤程度评估。
本发明优点在于：本发明采用长标距应变传感器获取车辆荷载通过大跨变截面连续梁桥的长标距应变响应，推导并提出了基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥刚度评估方法和损伤识别指标，通过随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，并对所选样本数据进行求解(小波分解)得到长标距应变时程曲线，再求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线后，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。相比传统的基于分布式宏应变桥梁损伤识别只能适用于等截面的中小跨径桥梁，本发明考虑大跨变截面连续梁桥刚度不断变化的规律，实现了针对大跨变截面连续梁桥的损伤识别与状态评估。本发明能够在不影响运营交通的情况下实现对大跨变截面连续桥梁刚度退化状况的快速评估，得到桥梁的刚度退化情况，极大提高了监测效率，为桥梁的运营安全提供了保障。
附图说明
图1为本发明车辆荷载下变截面连续刚构桥应变影响线计算示意图；
图2为本发明三轴后八轮卡车轴距图；
图3为本发明车辆-桥梁耦合振动有限元仿真模型示意图；
图4为本发明C0工况下被测段桥梁的长标距应变时程面积；
图5为本发明C0，C1，C2，C3工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值；
图6为本发明C0，C4，C5，C6工况下被测段桥梁的长标距应变时程积分值；
图7为本发明局部单处刚化程度评估结果图；
图8为本发明整体刚度退化程度评估结果图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种基于分布式宏应变的大跨变截面连续刚构桥的损伤识别方法，包括以下步骤：
S1：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
S2：采集车辆荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；
S3：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差；
S4：对所测得的数据进行求解(小波分解)，提取静态长标距应变信号，得到长标距应变时程曲线；
S5：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线；
S6：对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。
本发明主要根据应变影响线理论推导出了分布式宏应变影响线理论，在此基础上研究出了一种基于分布式宏应变的大跨连续刚构桥的损伤识别方法。如图1所示的连续刚构桥梁，共三跨，长度分别为L1、L2和L3，全梁刚度为EI，假设梁底刚好布满有n个标距为le长标距传感器，车辆以速度v行驶于桥梁上，根据影响线理论，移动车辆荷载下的应变可以按下式计算：
Figure RE-GDA0003884670360000031
其中f(x)为应变影响线方程，dk为第k个车轴距第一个车轴的距离(其中d1＝0),桥长为L，移动荷载一共有n个轴，第i个轴重为pi，x为第一个车轴距左边支座的距离，则公式沿着结构长度方向上的积分为：
Figure RE-GDA0003884670360000032
其中
Figure RE-GDA0003884670360000033
为坐标xi处的应变影响线面积，v为移动荷载速度，t0为移动荷载的第一个轴刚进入结构时刻，tn为移动荷载的最后一个轴刚离开结构时刻，Ai(t)为坐标xi处的应变时程面积。由公式(2) 可知应变影响线方程就可计算出应变时程沿结构长度方向的积分值。
对于图1所示的连续刚构桥梁结构，可先利用位移法求得弯矩影响线方程，进而求得应变影响线方程。坐标xi处的应变影响线方程为
Figure RE-GDA0003884670360000041
其中xi为计算截面沿着结构长度方向的坐标，EI为计算截面的抗弯刚度，y为计算截面的中和轴高度，M(xi)为坐标xi处的弯矩影响线方程。
连续刚构桥为多次超静定结构，弯矩影响线方程不能简单的用一个函数来表达。移动荷载不在本跨时，仍然对本跨产生弯矩影响。监测跨方程弯矩影响线方程如下所示：
Figure RE-GDA0003884670360000042
其中x为移动荷载位置，Li为桥跨径，n为桥墩抗弯刚度与梁抗弯刚度的比值，其中xi为计算截面沿着结构长度方向的坐标。
对于监测跨第m标段的长标距应变影响线表达式求解，则需对(4)式在(m-1)le≤xi≤mle范围内进行积分，即：
Figure RE-GDA0003884670360000043
求解公式(5)得到：
Figure RE-GDA0003884670360000051
本发明的一种基于分布式宏应变的大跨变截面连续刚构桥的损伤识别方法，包括以下步骤：
S1：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
S2：采集车辆荷载行驶通过被检测桥梁的长标距应变响应；
S3：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差；
S4：对所测得的数据进行求解(小波分解)，提取静态长标距应变信号，得到长标距应变时程曲线；
S5：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线所包围的面积大小，绘制成长标距应变影响线；
S6：对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况。
本发明主要根据应变影响线理论推导出了分布式宏应变影响线理论，在此基础上研究出了一种基于分布式宏应变的大跨连续刚构桥的损伤识别方法。如图1所示的连续刚构桥梁，共三跨，长度分别为L1、L2和L3，全梁刚度为EI，假设梁底刚好布满有n个标距为le长标距传感器，车辆以速度v行驶于桥梁上，根据影响线理论，移动车辆荷载下的应变可以按下式计算：
Figure RE-GDA0003884670360000052
其中f(x)为应变影响线方程，dk为第k个车轴距第一个车轴的距离(其中d1＝0),桥长为L，移动荷载一共有n个轴，第i个轴重为pi，x为第一个车轴距左边支座的距离，则公式沿着结构长度方向上的积分为：
Figure RE-GDA0003884670360000061
其中
Figure RE-GDA0003884670360000062
为坐标xi处的应变影响线面积，v为移动荷载速度，t0为移动荷载的第一个轴刚进入结构时刻，tn为移动荷载的最后一个轴刚离开结构时刻，Ai(t)为坐标xi处的应变时程面积。由公式(2) 可知应变影响线方程就可计算出应变时程沿结构长度方向的积分值。
对于图1所示的连续刚构桥梁结构，可先利用位移法求得弯矩影响线方程，进而求得应变影响线方程。坐标xi处的应变影响线方程为
Figure RE-GDA0003884670360000063
其中xi为计算截面沿着结构长度方向的坐标，EI为计算截面的抗弯刚度，y为计算截面的中和轴高度，M(xi)为坐标xi处的弯矩影响线方程。
连续刚构桥为多次超静定结构，弯矩影响线方程不能简单的用一个函数来表达。移动荷载不在本跨时，仍然对本跨产生弯矩影响。监测跨方程弯矩影响线方程如下所示：
Figure RE-GDA0003884670360000064
其中x为移动荷载位置，Li为桥跨径，n为桥墩抗弯刚度与梁抗弯刚度的比值，其中xi为计算截面沿着结构长度方向的坐标。
对于监测跨第m标段的长标距应变影响线表达式求解，则需对(4)式在(m-1)le≤xi≤mle范围内进行积分，即：
Figure RE-GDA0003884670360000065
求解公式(5)得到：
Figure RE-GDA0003884670360000071
上述(5)、(6)公式求解的是单个移动荷载下的第m个传感器标段内的平均应变，由公式(6)可知，当梁的其他参数确定时，在第m个标段内传感器的平均应变与其刚度成负相关，即应变增大其刚度减小。但在实际情况中，桥梁结构的初始状态下应变是难以获知的，对精准判断桥梁结构刚度退化程度带来困难，且应变曲线是随时间连续函数的(见图4)，选取应变峰值上带来一定的时间误差，为此，选择梁单元的应变时程面积值作为刚度退化程度指标，当桥梁结构出现局部刚度退化而导致结构局部刚度退化时，覆盖刚度退化处的传感器的应变时程面积值便会增加。因此，可根据应变时程面积的相对变化判断桥梁是否发生刚度退化及刚度退化程度，即对长标距应变在时间上进行积分求出宏应变影响线面积Awt：
Figure RE-GDA0003884670360000072
其中EI为计算截面的抗弯刚度，y为计算截面的中和轴高度，由变截面梁的设计参数可得出EI和y 的表达式，再将(5)式代入(9)式即可求得宏应变影响线面积Awt：
Figure RE-GDA0003884670360000081
通过应变的时间积累效应计算桥梁结构的相对刚度退化程度：
Figure RE-GDA0003884670360000082
式中，
Figure RE-GDA0003884670360000083
为刚度退化单元的应变时程面积值，
Figure RE-GDA0003884670360000084
为刚度退化单元未形成刚度退化的平均面积值， Am-1(t)和Am+1(t)是刚度退化单元两边的面积值。通过上述公式，计算结构的相对刚度退化程度，以此作为桥梁刚度退化的指标。
通过一个数值模拟结果说明本方法的具体实施过程，本发明方法使用了三跨公路变截面连续箱梁桥有限元模型，跨径布置为85+150+85m，如图3所示。汽车型号为解放牌三轴后八轮重型卡车，汽车以平均速度20km/h行驶。选择第二跨桥梁为监测对象。
步骤S1：构建大跨变截面连续梁桥的分布式长标距应变监测系统。
传感器的数量和标距的选择视桥梁的跨径而定，本方法采用的监测跨跨径为150m，桥梁净跨为138 米，使用35个标距为2.0m的长标距应变传感器对桥梁监测跨进行区域覆盖，编号依次为F1～F35，并使用双通道进行信号传输。
步骤S2：采集所选车辆荷载驶过被测桥梁后的长标距应变响应，并求解得到长标距应变时程曲线，所得到的长标距应变时程曲线因所设工况的不同而改变。
步骤S3：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线积分值，绘制成长标距应变影响线。所得到的长标距应变影响线与步骤S2中所设的工况相对应。具体长标距应变影响线图见图4，图5，图6。
步骤S4：对所得到的长标距应变影响线按本发明中的方法进行分析得到桥梁的刚度退化情况。选取局部的单处刚度退化与整体刚度退化的18号区域为例进行分析。刚度退化程度使用公式(9)进行计算，其中卡车20km/h速度下的桥梁未设计刚度退化的长标距应变(工况C0)作为桥梁初始状态，桥梁损伤截面底板局部刚度设计降低10％、20％、30％，实际覆盖区域截面刚度降低7％、12％、17％，即设计刚度退化程度为7％、12％、17％(C1、C2和C3)；桥梁整体刚度设计降低5％、10％和15％(C4、C5和C6)；各工况分析值与工况C0的比值即为结构的相对初始刚度退化程度；通过公式(9)计算得出的刚度退化程度为相对平均刚度退化程度，刚度退化程度分析如图6，图7所示。
刚度退化及刚度退化程度，即对长标距应变在时间上进行积分求出宏应变影响线面积Awt：
Figure RE-GDA0003884670360000091
其中EI为计算截面的抗弯刚度，y为计算截面的中和轴高度，由变截面梁的设计参数可得出EI和y 的表达式，再将(5)式代入(9)式即可求得宏应变影响线面积Awt：
Figure RE-GDA0003884670360000092
通过应变的时间积累效应计算桥梁结构的相对刚度退化程度：
Figure RE-GDA0003884670360000093
式中，
Figure RE-GDA0003884670360000094
为刚度退化单元的应变时程面积值，
Figure RE-GDA0003884670360000095
为刚度退化单元未形成刚度退化的平均面积值， Am-1(t)和Am+1(t)是刚度退化单元两边的面积值。通过上述公式，计算结构的相对刚度退化程度，以此作为桥梁刚度退化的指标。
通过一个数值模拟结果说明本方法的具体实施过程，本发明方法使用了三跨公路变截面连续箱梁桥有限元模型，跨径布置为85+150+85m，如图3所示。汽车型号为解放牌三轴后八轮重型卡车，汽车以平均速度20km/h行驶。选择第二跨桥梁为监测对象。
步骤S1：构建大跨变截面连续梁桥的分布式长标距应变监测系统。
传感器的数量和标距的选择视桥梁的跨径而定，本方法采用的监测跨跨径为150m，桥梁净跨为138 米，使用35个标距为2.0m的长标距应变传感器对桥梁监测跨进行区域覆盖，编号依次为F1～F35，并使用双通道进行信号传输。
步骤S2：采集所选车辆荷载驶过被测桥梁后的长标距应变响应，并求解得到长标距应变时程曲线，所得到的长标距应变时程曲线因所设工况的不同而改变。
步骤S3：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线积分值，绘制成长标距应变影响线。所得到的长标距应变影响线与步骤S2中所设的工况相对应。具体长标距应变影响线图见图4，图5，图6。
步骤S4：对所得到的长标距应变影响线按本发明中的方法进行分析得到桥梁的刚度退化情况。选取局部的单处刚度退化与整体刚度退化的18号区域为例进行分析。刚度退化程度使用公式(9)进行计算，其中卡车20km/h速度下的桥梁未设计刚度退化的长标距应变(工况C0)作为桥梁初始状态，桥梁损伤截面底板局部刚度设计降低10％、20％、30％，实际覆盖区域截面刚度降低7％、12％、17％，即设计刚度退化程度为7％、12％、17％(C1、C2和C3)；桥梁整体刚度设计降低5％、10％和15％(C4、C5和C6)；各工况分析值与工况C0的比值即为结构的相对初始刚度退化程度；通过公式(9)计算得出的刚度退化程度为相对平均刚度退化程度，刚度退化程度分析如图6，图7所示。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，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。总而言之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.基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)布置传感器：在被监测桥梁布置若干长标距应变传感器，具体数量视被测桥梁的长度所定；
2)采集数据：采集移动车辆荷载行驶通过被监测桥梁的长标距应变响应；
3)数据分析：随机挑选若干样本数据进行分析减小测量误差，多次监测求取平均值，以提高监测准确性；
4)求解得出准静态应变时程曲线：对所测得的大跨变截面连续梁桥长标距应变数据根据本文发明提供的算法进行求解，提取大跨桥梁准态长标距应变信号，得到准静态应变时程曲线；
5)求解并构成应变影响线：求解所有长标距传感器的长标距应变时程曲线随时间的积分值大小，构成大跨变截面连续刚构桥的应变影响线；
6)计算桥梁的刚度退化评估指标；
7)分析得出结果：根据评价指标，对所得到的长标距应变影响线进行分析得到桥梁的刚度退化情况及损伤识别结果；
8)损伤定位和评估：根据评估指标进行大跨变截面连续梁桥的损伤定位和损伤量化评估。
2.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：大跨变截面连续梁桥包括混凝土桥或钢桥、预应力和非预应力的连续刚构桥，桥梁结构类型不受桥梁材料限制。
3.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：大跨变截面连续桥梁截面不受限制，包括但不限于箱型截面、T型截面。
4.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：步骤1)中所述长标距传感器为长标距光纤光栅传感器、长标距的电阻应变传感器中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：步骤2)中所述车辆不受车辆食宿、类型和轴重影响，车辆荷载为任意车辆荷载，包括但不限于汽车、普通卡车、平板挂车，不受车辆轴数限制。
6.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：评估时不影响正常公路运行，不需要空窗时间，可直接采用车辆运行荷载进行评估。
7.根据权利要求1所述的基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法，其特征在于：可进行局部损伤定位和损伤程度评估。
CN202210708190.7A 2022-06-21 2022-06-21 基于分布式宏应变的大跨变截面连续梁桥的损伤识别方法 Pending CN115326322A (zh)

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