基于动力测试的桥梁结构损伤识别及性能评定理论与应用研究

摘要

数量巨大的既有桥梁不同程度地存在损伤与病害，且日益严重，为保证此类桥梁的安全运营并降低总体养护维修费用，如何及时有效地进行损伤识别与评定已成为桥梁工程领域面临的重要课题。基于动力测试的桥梁结构损伤识别与评定因其方便、快捷、可实时等优点而受到广泛关注。本文结合桥梁结构的工程特性，针对动力法损伤识别与评定进行了以下几个方面的研究工作： 1、分析总结各类桥梁结构的常见损伤，讨论损伤单元参数化的方法及其影响，并选取弹性模量退降因子作为待识别的损伤参数。采用矩阵摄动理论分析桥梁结构损伤对桥跨结构固有振动特性的影响，推导固有频率、振型向量对结构损伤参数的一阶、二阶摄动解析公式。并对典型的简支梁、连续梁、拱结构采用数值分析的方法分析典型损伤对桥跨结构固有振动特性的影响。同时介绍了桥梁结构的动力测试理论与方法，为桥梁结构的动力法损伤识别与评定提供了有效的先验知识。 2、分析实际桥梁的边界支承状况，并通过解析分析以及实桥测试、计算分析表明，相对于结构构件轻微损伤对固有振动特性的影响，桥梁结构边界条件变异的影响更为显著。因而提出既有桥梁的动力法损伤识别必须考虑边界条件变异的影响。针对边界条件变异的影响，提出基于固有频率、振型向量摄动分析与最小二乘优化算法相结合的边界条件变异反演理论方法。在边界条件变异反演理论方法的基础上，针对拱桥竖直吊杆的病害问题提出基于边界条件反演的吊杆损伤识别理论方法。并分别用数值算例验证了反演方法识别精度高，且计算量较小。 3、针对通常的桥梁结构损伤，在考虑边界条件变异的预识别之后，分别采用先损伤定位后优化反演分步损伤识别法及损伤参数分组优化反演识别法来实现桥跨结构损伤参数以及边界条件变异参数的反演。前者采用单元模态应变能变化率(MSECR)进行损伤预定位以降低待识别损伤参数数目，后者以参数分组来降低待识别参数，并用参数细分的方法来细化识别损伤参数。两者均采用Marquardt形式下的非线性最小二乘法或改进的Powell法进行优化反演。针对所提出的考虑边界条件变异的结构损伤识别理论方法，提出相应的测点优化布置方法，基于Matlab平台编制相应的损伤识别程序，并以一连续梁结构的损伤数值模拟分析验证了识别方法具有良好的识别精度。 4、对于桥梁结构的实际动力测试中的测试误差问题，分别以解析法和数值模拟法来分析确定性动力测试误差对损伤识别方法的影响状况。结果表明：测试误差明显降低损伤识别的识别精度，甚至造成误判。进而分析在动力测试设备选择、测试方法及信号处理中降低测试误差的方法。 5、分析桥梁结构性能评定现状，提出基于本文动力法损伤识别结果的桥梁结构安全性、耐久性及适用性的评定方法，并初步探讨了基于实测动力参数的直接评定方法理论。 6、最后以主跨240m的斜拉桥——犍为岷江大桥为工程实例，以其换索工程后及换索前的动力测试结果作为损伤前后动力实测参数进行斜拉索的损伤识别，识别与评定结果验证了本文理论方法能够初步应用于工程实践。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究意义及其背景

1.2桥梁结构损伤识别与评定的研究现状

1.2.1基于静力测试的桥梁结构损伤识别

1.2.2基于动力测试的桥梁结构损伤识别理论与方法

1.2.3基于动力的桥梁结构性能评定方法

1.3存在的问题

1.4本文研究内容

第2章损伤对固有振动特性的影响分析及动力测试

2.1桥梁结构的损伤特性与分类

2.2基于有限元模型的损伤单元参数化及其影响分析

2.3桥梁结构损伤及其对固有振动特性的影响分析

2.3.1桥梁结构损伤对固有振动特性影响的摄动理论分析

2.3.2桥梁结构损伤对固有振特性的影响的数值分析

2.4桥梁结构的动力测试方法与理论

2.4.1桥梁结构的激振方法

2.4.2动力测试传感器与设备

2.4.3模态参数分离技术

2.5本章小结

第3章边界条件变异影响分析及其动力反演

3.1实际桥梁结构支承与连接状况分析

3.2边界条件变异对固有振动特性的影响分析

3.2.1扭转弹性约束对固有振动的影响分析

3.2.2纵向支承变异对固有振动的影响分析

3.2.3离散结构系统的边界条件影响分析

3.2.4边界条件对固有振动影响的实例分析

3.2.5边界条件变异与结构损伤的影响比较分析

3.3基于矩阵摄动的边界条件变异反演理论与方法

3.3.1结构参数反演理论概况

3.3.2基于特征值及特征向量摄动的边界条件变异反演理论

3.3.3边界条件变异反演的数值算例

3.4基于边界条件反演的拱桥吊杆损伤识别理论与应用

3.4.1拱桥吊杆的损伤特征

3.4.2基于边界条件反演的拱桥吊杆损伤识别方法

3.4.3拱桥吊杆损伤识别的数值算例

3.5本章小结

第4章考虑边界条件变异的损伤识别理论与方法

4.1考虑边界条件变异的先定位后优化反演损伤识别

4.1.1边界条件变异的预识别

4.1.2损伤定位的单元模态应变能法

4.1.3考虑边界条件变异的Marquardt法优化反演损伤识别

4.1.4考虑边界条件变异的改进的Powell法优化反演损伤识别

4.2考虑边界条件变异的参数分组优化反演损伤识别

4.2.1待识别损伤参数分组理论及方法

4.2.2基于损伤参数分组的优化反演损伤识别

4.3损伤识别方法的程序实现

4.4损伤识别中的测点优化布置方法

4.5桥跨结构损伤识别的数值算例验证与分析

4.6本章小结

第5章损伤识别中误差的影响分析及降低措施

5.1动力法损伤识别中误差的来源分析

5.2动力测试误差对考虑边界条件的损伤识别方法的影响

5.2.1动力测试误差对损伤识别影响的理论分析

5.2.2动力测试误差对损伤识别影响的数值模拟

5.3动力法损伤识别中降低误差影响的方法

5.3.1动力法损伤识别中降低误差的常规方法

5.3.2动力测试设备的校正

5.3.3动力测试中的平均技术

5.4本章小结

第6章基于动力测试的桥梁结构性能评定

6.1桥梁结构性能评定现状

6.1.1相关评估规范的现状

6.1.2桥梁结构现有的评定理论与方法

6.2基于动力损伤识别的桥梁结构性能评定

6.2.1基于损伤识别的极限承载力与正常使用性能评定

6.2.2基于损伤识别的耐久性评定

6.3直接应用动力参数的桥梁结构性能评定初探

6.4基于动力测试的损伤识别与评定的工程应用方法

6.5本章小结

第7章桥梁结构损伤识别与评定的工程实例验证

7.1犍为岷江大桥及其检测与换索工程简介

7.2犍为岷江大桥换索前后检测与静动载试验

7.2.1换索前后静载试验结果对比及分析

7.2.2换索前后斜拉索及梁塔的实桥检测结果

7.2.3换索前后动力试验结果的比较与分析

7.3犍为岷江大桥的动力法损伤识别与评定验证

7.3.1犍为岷江大桥动力损伤识别验证中的几个问题

7.3.2犍为岷江大桥斜拉索的损伤识别验证

7.3.3犍为岷江大桥的动力评定

7.4本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目与工程实践