基于静力位移数据的桥梁结构损伤识别方法

基于静力位移数据的桥梁结构损伤识别方法
作者：翁沙羚
来源：《科技创新导报》 2011年第28期
翁沙羚
(宁波市交通规划设计研究院有限公司宁波 315000)
摘要:当前桥梁营运状态健康监测越来越受到重视,近十多年来国内外学者一直在寻找能适用于复杂结构的整体探伤评估方法,也使得结构的损伤识别在大跨度桥梁健康监测领域中成为一个研究热点[1]。

本文在总结和研究当前国内外桥梁结构损伤识别理论的基础上,提出了一种基于静态位移测量数据结合有限元计算的结构损伤识别方法,与动力损伤指纹法相比,静态方法具有更高的识别精度和可操作性。

数值模拟分析证明了该方法的有效性。

关键词:健康监测损伤识别影响矩阵有限元
中图分类号:U44 文献标识码:A 文章编号:1674-
098X(2011)10(a)-0252-02
1 前言
对于土木工程结构,尤其是对于以混凝土为主要材料的大跨度桥梁,其模态频率的变化对于结构局部损伤的敏感性极低,这一点已经在理论计算和工程实践中被证明[2],而且基于模态振型的动力损伤指标[3]也往往因为模态振型测量的精度无法保证而失去作用,因此可以认为动力损伤指标(包括频率、振型等)并不适合于大跨混凝土桥梁结构的局部损伤探测。

相反,静力位移测量的精度相对较高,为此,很多学者致力于通过静力测量数据进行结构探伤的研究[4、5]。

本文在国内外现有的研究成果基础上,针对现有理论的不足,探索并提出了一种基于静力位移测量数据进行结构损伤识别的简单实用方法。

2 基于静力位移数据的损伤识别方法的研究
对基于静力位移测量数据的结构损伤识别方法的研究兴起于上个世纪90年代初,也是得益于现代控制理论中系统识别理论的快速发展。

事实上,静力损伤识别方法也属于系统识别的范畴,它的目的就是根据系统的输入与响应来辨识系统内部的未知参数。

静力法损伤识别的基础就是有限元法的静力平衡方程:
应该说这种方法与文献[5]所采用的方法有些类似之处,但前者有个很大的好处就是只需要测量固定荷载工况作用下的一组位移值,而后者需要多种荷载工况来得到一个测量子结构刚度矩阵,则户外检测工作量过大。

(13)式的求解可以通过下述数值方法进行迭代求解。

刚度矩阵[K]反映了结构的某种状态,在数学中可以表示为在多维空间中的一个点,当结构发生损伤,那么它对应的这个点在多维空间中的位置也发生了改变。

如果选定一个特定的坐标系,将横坐标标为刚度系数向量{p},将纵坐标标为位移向量{u},那么(13)式可以在这个坐标系中表示为图1中的曲线。

在图1的曲线中,U点和D点分别代表结构损伤前与损伤后的两种状态,U点是已知的状态,D 点是未知的状态,他们对应的刚度系数向量分别为{pU}和{pD},对应的测点位移向量分别为{uU}和{uD},{pU}就是待求的向量。

假如在这个空间中寻找一点S,使得S点状态对应的刚度参数向量{pS}能够被{pD}所包络,这里所谓的包络就是指满足以下式子:
3 数值分析验证
利用某一跨径布置为103m+240m+103m的双塔双索面预应力混凝土斜拉桥平面梁单元模型仿真分析来验证该损伤识别方法。

预先在模型的主梁上任选设置了三处损伤,损伤单元编号依次为5,23,33,如图2所示,待识别的刚度参数设为弹性模量,三处的弹性模量均降低30%模拟主梁开
裂损伤,静力荷载工况取为跨中向下集中力5000kN,初始弹性模量均为3.6×104MPa。

利用上文方法对损伤模型进行损伤识别计算,通过迭代计算结果如图3、图4所示。

从计算结果可见,在无测量误差的情况下该方法能够精确的识别出损伤的位置和损伤程度;
在计入3%的随机测量误差的情况下,仍能准确判定损伤位置,并且能较为准确的估计出损伤程度。

说明该识别方法是有效的。

3 结论
(1)本文的静力识别方法只需要利用一组荷载工况便可以进行损伤识别。

荷载工况可以是由单个或者一组集中力组成的外荷载工况,也可以将恒载当作是一组不变的荷载。

而这两种荷载工况非常容易实现。

(2)当已经有历史测量数据时,每次只需测量一组位移值,无需经过复杂转换而能直接参与分析计算,与其他一些方法相比(如动力方法),大大简化了工作过程。

(3)采用本文方法计算速度较快,容易实现在线监测和实时损伤识别。

桥梁结构健康监测与
损伤评估的发展方向就是实现自动化,所需要进一步的研究工作就是如何实现位移的精确测量以及加快算法的收敛速度等。

(4)损伤识别计算过程中可以同时实现损伤定位与损伤程度估计,可对结构损伤程度作出整
体评价。

参考文献
[1] Z.H.Zong,T.L.Wang,D.Z.Huang,Z.F.Zheng.State-of-the-artreportofbridgehealthmonitoring.JournalofFuzhouUniversity(NaturalScience).2002,30 (2):127-147
[2] 宋雨,文晖大桥健康监测与评估管理系统主要问题研究.浙江大学博士学位论文,2003.。