基于车桥耦合振动的混凝土简支梁桥损伤诊断方法

摘要

目前我国桥梁数量众多，更以中小型桥梁为主，混凝土梁桥占其中绝大部分。这些桥梁受长期运营荷载和环境等不利因素作用，不可避免出现各种损伤。我国目前对中小型混凝土梁桥的状态检测和评定还主要采用静力试验等传统手段，基于动力的检测和诊断等新理论方法的研究还处在起步阶段，距离实际应用还有很多工作要做。为此，本文以公路混凝土简支梁桥为对象，系统分析各类典型损伤对桥梁结构车载动力性能的影响机理和规律，研究提出基于车桥耦合振动的桥梁损伤诊断识别方法。依托实际桥梁对方法的适用性和有效性等进行了验证，为实现快速、有效的检测识别桥梁结构损伤、降低桥梁运营维修费用、保证桥梁运营安全起到了一定的推动作用，具有一定的工程应用价值和理论意义。
　　首先，基于Lagrange方程推导建立了空间车辆计算模型的运动平衡方程，求解得到车辆模型的质量矩阵、刚度矩阵及阻尼矩阵。利用振型叠加法将桥梁按各节点物理坐标转化为广义模态坐标，以降低计算代价。以常见两轴车辆为例，推导建立了空间12自由度整车模型与全尺度桥梁结构的车桥耦合振动方程，基于Matlab编制了面向桥梁损伤诊断的车桥耦合振动分析程序。
　　然后，通过对各种典型损伤的成因进行分析，选择合理方式对典型损伤进行了数值模拟。依托工程实例，基于所编制的车桥耦合振动程序对多种损伤工况下，结构损伤下车桥系统的动力行为进行了大量数值模拟分析，系统分析了各类损伤对桥梁车载动力行为的影响规律和机理，为基于车桥振动的桥梁损伤诊断研究提供了理论参考和方法借鉴。
　　最后，以车桥耦合振动分析得到的损伤结构加速度动力响应信息为基础，，分别依托混凝土简支 T梁及预应力空心板桥实例，针对混凝土裂缝、横向联系破损等损伤类型，通过对桥梁原始动力响应数据进行HHT变换等方式进行信号处理，获得其固有模态函数。结合工程实际，提出了基于单点动力响应HHT变换和多点HHT变换的桥梁结构损伤诊断方法。通过多个损伤类型和工况的实例分析，验证和分析了各诊断方法的适用性和有效性。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外相关方向的研究现状及分析

1.2.1 桥梁结构评定研究

1.2.2 既有结构损伤对桥梁车载动力行为的影响研究

1.2.3 基于车桥耦合振动的桥梁损伤识别研究

1.2.4 研究现状分析

1.3本文的课题来源和主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 主要研究内容

第2章 面向损伤识别的车桥耦合振动分析方法

2.1 引言

2.2 模态综合法

2.3 车辆计算模型

2.3.1车辆类型

2.3.2车辆运动方程

2.4 桥梁结构模型及动力平衡方程

2.4.1 桥梁模型

2.4.2 桥梁动力平衡方程

2.5 桥面不平整度

2.6 车-桥耦合动力方程

2.7 本章小结

第3章 结构损伤对简支梁桥车桥振动响应的影响分析

3.1 引言

3.2 混凝土梁桥的常见损伤类型及数值模拟

3.2.1 混凝土开裂

3.2.2 有效预应力衰减

3.2.3 装配式混凝土梁桥横向联系结构损伤

3.2.4 支座病害

3.2.5 基础冲刷

3.3 结构损伤对简支T梁桥车桥振动响应的影响分析

3.3.1 工程实例概况及有限元模型的建立

3.3.2 典型损伤工况设置

3.3.3 损伤对桥梁动力特性的影响

3.3.4 损伤对车桥系统动力行为的影响分析

3.4 结构损伤对简支空心板桥车桥振动响应的影响分析

3.4.1 工程实例概况及有限元模型的建立

3.4.2 典型损伤工况设置

3.4.3 结构损伤对桥梁动力特性的影响

3.4.4 结构损伤对车桥系统动力行为的影响分析

3.5 本章小结

第4章 基于车桥耦合振动的简支梁桥损伤诊断方法

4.1引言

4.2 面向桥梁损伤诊断的常用信号处理方法

4.2.1 短时傅立叶变换

4.2.2 小波变换

4.2.3 HHT变换

4.3 Hilbert-Huang变换原理

4.3.1 瞬时频率

4.3.2 固有模态函数

4.3.3 经验模态分解

4.3.4 HHT实例分析

4.4 损伤诊断方法研究

4.4.1 基于HHT变换的单点分析

4.4.2 基于HHT变换的多点分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢