浅谈基于Midas的桥梁梁体损伤检测

简支梁损伤检测综述
陈雪华
（郑州大学土木工程学院郑州450001）
摘要：该文以50m混凝土箱型简支梁为例，借鉴桩的完整性检测理论以及基于Midas Civil的矩形荷载作用下箱型梁的时程分析，从而判断梁体是否损伤,这种借鉴经理论分析是可行的；从时程分析结果中提取节点2与节点25的加速度，运用MATLAB进行两节点之间的相关关系的分析，分析结果可以为以后桥梁状态分析提供数据。

关键词：简支梁损伤检测时程分析相关性
Abstract:Taking a 50-meter simply supported box-shape beam in concrete as an example,and by referring to the theory of pile integrity testing and under rectangular loading , the time-procedure analysis basing on Midas civil of the box-shape,in order to judge whether the beam is damage or not,the reference, which through theoretical analysis,is viable;Extracted acceleration of node 2 and 25 from the results of time-procedure analysis node 2 and 25, we can use MA TLAB to analyze the relationship between the two nodes,which can provide information for the analysis of the future state.
Key words: simple beam damage detection time-procedure analysis correlation
引言
随着科技的快速发展，航空航天结构、土木结构以及机械设备，都在朝着功能齐全化、结构复杂化方向发展。

然而在这些结构服役期间，由于各种自然环境或者人为因素的影响，将导致其结构完整性受损，如不及时发现，将产生严重的经济损失。

如，1988年美国夏威夷航线客机由于机身裂纹引起的飞行事故，2007年中国广州九江大桥的倒塌，2007年美国明尼亚波利市的州际高速公路（I-35W）大桥的坍塌等事故。

因此，如何在结构失效的初期阶段及时发现结构损伤并进行相应的处理日益引起人们的重视。

目前，众多建成时间较早的桥梁已逐渐迈向劣势阶段。

同时，交通工具的超载、交通流量的增加、船舶的撞击等，都会对桥梁自身造成损伤。

另一方面，桥梁的使用功能的改变及维修加固都需要对在役桥梁工作状态作出科学准确的判断，以便区分轻重缓急，优先实施。

理论上讲，桥梁的工作现状监测应包括桥面系、梁体的损伤检测、下部结构及支座的检测等。

1 损伤检测方法及原理
1.1 损伤检测方法
近几十年来,针对不同类型的新旧桥梁损伤和老化现象,国内外桥梁研究人员提出了各种各样的检测方法。

大体上说,目前桥梁结构损伤检测分为局部检测法和整体检测法。

（1）局部检测技术
局部检测技术是对结构目标部位进行集中重点的检查,一般以无损检测技术为工具,主要用于探测结构的局部损伤,可较精确地对结构缺陷部位进行定位、探查,甚至定量分析。

（2）整体检测技术
整体检测是从全局上把握整个结构的实际工作状态,可连续或间隔地检查结构安全状态,并可用来指导对损伤可疑部位进行定位和损伤程度评估,提高检测效率。

整体检测方法可分为静态检测方法和动态检测方法。

1）静态检测方法是在桥梁停止使用的状态下对桥梁进行静载试验,量测与桥梁结构性能相关的静力参数,如桥梁在静载下的变形、挠度、应变、裂缝等。

通过分析这些参数,可直接判定全桥静承载能力,并得出结构的强度、刚度及抗裂性能。

2）动态检测方法(基于振动的测试识别方法)是对桥梁结构进行动力荷载试验,利用结构的动力性能是判断桥梁运营状况和承载力的依据。

该方法是对待测结构系统进行激励,通过振动测试、数据采集、信号分析与处理,由系统的输入和输出确定结构的力学特性,根据结构系统的动力特性来识别损伤。

1.2 损伤检测原理
结构的局部损伤会导致结构局部物理参数（如质量、刚度以及阻尼）的变化，这些局部物理参数的变化可以引起结构动力响应（包括时域响应、频域响应及模态参数）的变化，我们可以通过动力学响应的变化来识别结构物理参数的变化。

本文借鉴桩的完整性检测原理——低应变反射波理论，基于Midas Civil的时程分析过程，根据冲击荷载作用下梁体动力加速度的波动传播情况，进行梁体的损伤性检测分析；然后根据冲击荷载作用下，梁体具体位置，不同时间点的动力加速度的大小，找出梁中任意两处具体位置加速度之间的相关关系。

低应变动力测桩是采用低能量的瞬态或稳态激振，使桩在弹性范围内作低幅振动，利用振动和波动理论判断桩身缺陷。

其具体的低应变反射波理论的基本原理为：以一维弹性杆平面应力波波动理论为基础，将桩身假定为一维弹性杆件（桩长》直径），在桩顶锤击力作
用下，产生一压缩波（质点初始振动的方向与波传播的方向相同的波），沿桩身向下传播，当桩身存在明显的波阻抗Z变化界面时，将产生反射波和投射波，反射的相位和幅值大小由波阻抗Z变化决定。

假定在基桩中存在一个波阻抗界面，界面上部波阻抗Z1，下部Z2，其相关关系如下：（1）Z1=Z2时，表示桩截面均匀，无缺陷损伤；（2）Z1>Z2，表示在相位位置存在截面缩小或混凝土质量较差等缺陷，反射波速度信号与入射波速度信号相位一致；（3）Z1<Z2，表示在相位位置，存在扩径，反射波与入射波速度信号相位相反。

2 基于Midas/civil的桥梁梁体模型建立
车辆在桥面上行驶时，车轮与桥面接触面之间将产生相互作用的摩擦力，当车辆在行驰中突然刹车时，由于制动力的冲击作用将会对桥梁产生冲击振动的效应。

本文将上述检测理论运用于桥梁中的梁体的损伤检测。

车辆以一定的速度驶上桥梁，并在梁端部和中间部位突然刹车，由于冲击荷载作用在节点时是一个瞬间作用后随即消失的一种荷载，所以在这里将其近似地模拟为矩形荷载，如图1所示。

图1 矩形荷载
本桥为跨径50m的单行简支梁桥，采用C50 混凝土，箱型截面。

在Midas Civil中时程分析是根据结构本身的特性和所受的荷载来分析在任意时刻结构的反应，如位移，内力，加速度，速度等。

基于Midas/civil单轴车桥耦合模型的建立步骤如下：
（1）建立结构模型，对50m简支梁沿桥纵向建立26个节点，每2m一个单元，共25个单元，两端加边界条件；
（2）此模型采用振型叠加法，频数数量为9，输入特征值分析数据，查看8阶模态的周期约为0.01s，一般将分析步长设为最高振型周期的1/10较为合适，对结构进行特征值分析，参与质量为96.68％，可判断对于其反应，所参与的质量已经足够可以获得结构动力反
应的主要特征了；
（3）输入时程分析数据，用户直接输入时间荷载函数，时程荷载函数不反复作用，即瞬时作用，振型的阻尼比为混凝土结构0.05—0.10，对结构进行时程分析，查看时程分析结果。

其模型如图2所示。

图2 梁体模型
3 损伤分析
本文基于Midas的时程分析过程，考虑两种情况下动力加速度的变化。

具体步骤如下：在简支梁上的节点2和节点13分别施加沿桥纵向的荷载，对梁体进行时程分析；然后从时程分析结果中，提取各点的加速度，并分析各点加速度的变化；最后借鉴一维弹性杆平面应力波波动理论来判断梁体是否有局部损伤。

两种情况下，各点加速度如图3.
图3 两种情况下，梁体上各点加速度
行驶车辆突然刹车，瞬间产生很大的冲击力，并作用于梁体，即在节点2和节点13处
冲击力最大，然后沿着梁体以波的形式传播，当遇到梁体损伤时，会产生反射信号，也即加速度的传播会出现异常。

从图中可以看出，无论节点荷载作用在梁体的的那个位置，梁体的动力加速度的波动情况大体上是一致的，并且其波的传播并无异常，也就是说：在行驶车辆突然刹车的情况下，此桥的梁体无损伤。

4 相关性分析
从模型的时程分析结果中提取两种情况下，梁体左端部节点2与右端部节点25的沿桥纵向的加速度，由于施加的荷载相对较小，所以实例中提取的加速度的数值相对较小。

通过MATLAB进行其相关性分析，两点加速度之间关系如图4和图5所示。

图4 冲击荷载作用在节点2时，节点2与节点25的相关关系
图5 冲击荷载作用在节点13时，节点2与节点25的相关关系从图4和图5中我们可以看出，在桥梁完好无损的两种情况下，梁体中节点2与节点25的相关关系基本一致，即在不同的时间内，两节点加速度随着一点加速度的增大，另一
点相应也增大。

5 结论与展望
基于Midas Civil的简支梁时程分析，以及借鉴桩的完整性检测理论，进行单轴车桥耦合下，行驶车辆突然刹车时，梁体损伤的检测是可以进行的；对于时程分析结果和相关性分析，有利于我们了解桥梁的动力特性，为以后的桥梁现状分析提供安全使用的科学依据，且具有一定的现实意义和应用价值。

桥梁结构向高层次、大柔度方向的发展,需要配合更高层次的桥梁损伤检测与评估工作。

可见，桥梁损伤检测和安全评估对于桥梁的发展有着非同寻常的意义。

不过，随着各学科进一步交叉发展,相信桥梁结构损伤检测与评估工作将会有更好的应用前景。

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