基于双车和三车系统运行的桥梁结构损伤识别初步研究

摘要

桥梁作为交通基础设施的重要节点，其运营安全问题引起了国内外学者的广泛关注。传统的直接量测法需要在桥梁布置大量的传感器，从海量的数据中来识别桥梁的模态参数，其昂贵的成本和繁琐的操作很难满足于目前桥梁检测的需求，具有便捷、经济和高效等优势的间接量测法应运而生，该方法仅需在过桥车辆上安装传感器，对该信号进行分析即可获取桥梁的模态参数。　　本文基于车桥耦合模型，以简支梁为研究对象，在本团队单车系统研究工作的基础上，考虑牵引车的作用，引入双车系统和三车系统，开展了桥梁结构的频率、模态振型识别和刚度识别相关的理论推导、数值模拟与试验研究工作，完成的主要研究内容概括如下：　　① 考虑实际工程中路面粗糙度的影响，提出了双车系统拖动两次和三车系统拖动一次消除路面粗糙度影响的方法。双车系统中牵引车分别拖动两辆参数成比例(不能相同)的检测车以同一路径依次匀速通过桥梁，对两辆检测车的加速度作差消除路面粗糙度的影响；三车系统中牵引车同时拖动两辆参数成比例(可以相同)的检测车匀速依次通过桥梁，对两辆检测车的加速度先对桥梁位置进行同步再作差消除路面粗糙度的影响。并分别对这两种方法的有效性进行了理论推导和数值模拟上的验证。　　② 基于双车系统和三车系统，提出了考虑路面粗糙度下桥梁结构的损伤识别方法。对消除路面粗糙度影响的加速度信号进行滤波处理，利用短时频域分解法识别桥梁一阶模态振型，并结合改进的直接刚度法识别桥梁刚度。然后分别考虑车速、车频、检测车阻尼、桥梁阻尼比和噪声等因素的影响，通过数值模拟分别证明了该方法的有效性和良好的鲁棒性。最后利用单元刚度折减模拟损伤，考虑单点和多点损伤，证明刚度的变化可以有效的对损伤位置和损伤程度进行初步的判定。　　③ 对实操性更强的三车系统进行了实桥试验的初步研究。利用皮卡拖动两辆特制单轴检测车，获取了桥梁的基频和一阶模态振型，并利用改进的直接刚度法识别桥梁刚度，用测试跨中点的挠度对识别的刚度值进行了初步验证。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 间接量测法的国内外研究综述

1.2.1 桥梁的模态参数

1.2.2 损伤识别

1.2.3 试验研究

1.3 本文内容

2 基于双车系统运行的桥梁结构损伤识别初步研究

2.1 引言

2.2 理论基础

2.2.1 双车-桥系统响应理论解

2.2.2 考虑路面粗糙度的双车-桥系统响应理论解

2.2.3 带通滤波器(BPF)

2.2.4 提取模态振型

2.2.5 基于改进的直接刚度法的刚度识别

2.3 单轴车-桥耦合有限元模型

2.4 基于双车系统的桥梁节点刚度识别步骤

2.5 算例验证

2.6 参数分析

2.6.1 车速的影响

2.6.2 车频的影响

2.6.3 车辆阻尼的影响

2.6.4 桥梁阻尼的影响

2.6.5 噪声的影响

2.7 损伤识别

2.7.1 单损伤

2.7.2 多损伤

2.8 本章小结

3 基于三车系统运行的桥梁结构损伤识别初步研究

3.1 引言

3.2 理论基础

3.2.1 三车-桥系统响应理论解

3.2.2 考虑路面粗糙度的双车-桥系统响应理论解

3.3 基于三车系统的桥梁刚度识别步骤

3.4 算例验证

3.4.1 无路面粗糙下简支梁刚度识别

3.4.2 考虑路面粗糙时简支梁刚度识别

3.5 参数分析

3.5.1 车距的影响

3.5.2 车速的影响

3.5.3 车频的影响

3.5.4 车辆阻尼的影响

3.5.5 桥梁阻尼

3.5.6 噪声的影响

3.5.7 相同的检测车

3.6 损伤识别

3.6.1 单损伤

3.6.2 多损伤

3.7 本章小结

4 试验验证

4.1 引言

4.2 试验桥梁

4.3.1 牵引车

4.3.2 单轴检测车

4.3.3 采集系统

4.3.4 加速度传感器

4.3.5 红外线扫描器

4.4 准备试验

4.4.1 强迫振动试验

4.4.2 路面动力试验

4.4.3 桥梁微振动试验

4.4.4 传递性试验

4.5 间接量测法试验

4.5.1 信号的分段处理

4.5.2 桥频的识别

4.5.3 模态一阶模态振型的提取与节点刚度反演

4.5.4 挠度对比

4.5.5 试验总结

4.6 本章小结

5 结论与展望

5.1 取得的主要成果

5.2 后续工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读学位期间参加的科研项目目录

C 学位论文数据集

致谢