基于振动的跨海大桥主墩桩基础损伤识别

摘要

跨海大桥桩基础常年受到海水和海洋大气环境作用，极易造成损伤。利用结构试验模态分析技术，根据可随时采集的结构振动信号判断结构整体和局部的健康状况的结构损伤识别方法能够适应现代结构监测系统对结构整体性监测和实时性监测的要求，是结构损伤识别问题的重点研究方向。本文首先介绍了实验模态分析理论和测试原理，给出了模态参数确定的基本方法；然后介绍了各种基于振动的损伤识别方法，并指出这些方法所面临的问题；接着，以舟山大陆连岛工程金塘大桥的主通航孔桥的 D3号索塔塔墩有限单元模型为研究对象，展开桩基损伤识别模拟试验，分析了各种传统的动力指纹对桩基损伤识别的适用性。结合跨海大桥外包钢护筒桩基的损伤特点，为减少动测点布设，提出经三次样条函数插值处理的曲率模态指纹，采用缩颈的方式模拟桩基钢护筒腐蚀损伤，利用该指纹进行了损伤识别数值模拟试验。 为考虑水介质对桩基振动模态影响的特殊性，本文通过已有试验，并结合水介质的附加质量效应理论进行有限元模型模态分析，分析结果表明水介质对自身质量巨大的水下结构物的模态影响不显著。有限元模型模态分析结果表明，应变类的动力指纹和曲率模态指纹对桩基局部刚度弱化的损伤识别效果较好。鉴于在损伤状况下，桩基低阶振型形状变化规律的一致性，提出了基于多阶曲率模态累积差值的?指标和基于多阶曲率模态累积变化率的?指标，可以提高识别损伤的能力。桩基钢护筒腐蚀损伤识别模拟试验结果表明，经过三次样条函数插值处理的曲率模态指纹对该类型的损伤非常敏感，在实践中可通过有限元模拟建立基于该指纹的桩基损伤识别指纹库，通过较少测点实测桩基振型，推算插值曲率模态指纹并与指纹库进行比对，达到损伤识别的目的。本文通过有限元模型模拟试验，验证了这种识别方法的正确性和有效性。

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1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状及存在问题

1.3本文的研究思路及主要内容

1.4课题来源及背景

2实验模态分析方法与参数识别

2.1实验模态分析方法的概念与基本原理

2.2频响函数及其测试原理

2.3频域模态参数识别

2.4时域模态参数识别

2.5本章小结

3金塘大桥主通航孔桥D3索塔有限单元模型

3.1 ANSYS结构有限元分析

3.2 D3索塔有限元模型的建立及其模态分析

3.3海水介质对桥塔动力特性的影响

3.4本章小结

4动力指纹法对索塔桩基损伤识别的适用性分析

4.1桩基损伤模拟试验

4.2频率、振型指纹识别效果

4.3应变模态、曲率模态指纹识别效果

4.4柔度矩阵指纹识别效果

4.5桩基损伤对周边桩基模态的影响

4.6本章小结

5桩基钢护筒腐蚀损伤识别

5.1海洋环境金属腐蚀机理与特点

5.2改进的曲率模态损伤识别指纹

5.3桩基钢护筒腐蚀损伤模拟试验

5.4改进的曲率模态指纹损伤识别效果验证

5.5本章小结

6结论与展望

6.1本文的主要工作和结论

6.2对未来研究工作的展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及成果

致谢