基于列车—桥梁耦合振动响应的桥梁损伤识别方法研究

摘要

目前常用的桥梁损伤检测方法往往需要进行中断交通、封闭桥梁，导致检测时间多局限于凌晨区段进行，以避免对交通运输造成影响，对于一些交通非常繁忙的线路，中断交通是很难实现的。因此如何在不影响桥梁正常营运的前提下，对桥梁进行评估诊断是目前世界各国工程界最为关心的研究议题之一。
　　使用工作状态下桥梁结构振动信号识别桥梁损伤无须中断交通，而且利于长期健康监测。本研究对基于车桥耦合振动分析的桥梁损伤诊断方法进行了研究，主要研究工作和成果如下:
　　(1)使用了一种利用过桥车辆响应而不是桥梁响应来识别桥梁频率的方法，并设计了一个3跨连续梁和一个1∶10的模型车辆来验证这一方法。结果证明通过车辆响应的功率谱可以识别出桥梁频率。
　　(2)分析了桥梁和车辆位移、速度、加速度等响应对桥梁损伤的敏感性。使用少量桥梁或车辆测点的时域响应，通过灵敏度方法来识别桥梁结构损伤和支座变化，并分析了不同参数对识别结果的影响。讨论了桥梁单元较多时的一些特殊处理方法（如单元缩减、结果可视化等）。
　　(3)定义了桥梁振动能量密度的概念，并以此为参考量，提出了一种利用车激桥梁振动能量密度灵敏度识别桥梁损伤的方法，改善了使用响应灵敏度方法没有充分利用各测点联系以及计算量过大的缺点，同时能够很大程度的抑制个别测点的高水平噪声。在此基础上进一步提出了加窗能量密度的概念，不但提高了结果的精度，而且很大程度的减少了运算量。
　　(4)提出了一种利用车激桥梁响应互相关函数灵敏度识别桥梁损伤的方法，通过记录设置在桥梁上的两个测点的加速度响应，比较桥梁损伤前后两点响应的互相关函数的变化值，使用灵敏度方法来识别桥梁损伤。使用互相关函数灵敏度方法可以提高识别结果的准确性，而且计算较简单，收敛速度较快，同时能够很大程度的抑制测点的高水平噪声，对桥梁多单元损伤也有较好的识别结果。
　　(5)研究了两种小波灵敏度方法来识别桥梁损伤，它们分别使用了桥梁的离散小波和小波包分解分量。这两种灵敏度方法都很大程度的提高了识别结果的精度，并大大缩短了运算时间。同时还探讨了直接对车-桥响应进行连续小波变换来识别桥梁损伤的无模型损伤识别方法。
　　(6)初步探讨了当车辆某参数值不确定时基于桥梁在线振动响应的桥梁损伤识别方法。通过计算损伤识别结果对随机车辆参数的灵敏度并由此得到损伤因子的数学期望及方差，进一步得到各单元的损伤因子可能分布区间。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 结构测试技术与损伤识别方法研究现状

1．2．1 结构测试技术现状

1．2．2 无模型损伤识别方法研究现状

1．2．3 有模型损伤识别方法研究现状

1．3 基于车-桥耦合振动分析的桥梁损伤识别研究现状

1．3．1 基于移动力作用的损伤识别研究现状

1．3．2 基于移动质量作用的损伤识别研究现状

1．3．3 基于移动车辆作用的损伤识别研究现状

1．4 主要研究内容

第2章 基于过桥车辆响应识别桥梁模态的基本原理和试验验证

2．1 基本原理

2．2 模型试验

2．2．1 车-桥试验平台与测试仪器

2．2．2 测试内容

2．3 试验结果分析

2．3．1 桥梁冲击振动试验结果分析

2．3．2 车-桥动力相互作用试验结果分析

2．4 本章小结

第3章 桥梁损伤对车-桥动力系统的影响分析

3．1 车-桥耦合动力系统计算模型

3．1．1 车辆模型

3．1．2 桥梁模型与桥梁损伤模型

3．1．3 车-桥系统运动方程

3．2 车-桥振动响应对桥梁构件损伤的灵敏度分析

3．3 算例分析

3．3．1 简支梁桥损伤对桥梁振动响应的影响

3．3．2 简支梁桥损伤对车辆振动响应的影响

3．3．3 连续梁桥损伤对桥梁振动响应的影响

3．4 本章小结

第4章 基于车-桥振动响应灵敏度的桥梁损伤识别

4．1 基于车-桥振动响应灵敏度的有限元修正理论

4．1．1 灵敏度方程的建立

4．1．2 灵敏度方程的求解

4．2 基于单测点车-桥响应灵敏度的简支梁桥损伤识别

4．2．1 无约束优化方法及其改进方法

4．2．2 使用约束优化方法识别不同工况的损伤

4．2．3 基于车辆响应的桥梁损伤识别

4．3 基于单测点车-桥响应灵敏度的较复杂结构桥梁损伤识别

4．3．1 单元缩减方法

4．3．2 损伤识别结果的可视化

4．3．3 连续梁桥的损伤识别

4．3．4 拱桥的损伤识别

4．4 基于多测点响应时域变换灵敏度的桥梁损伤识别

4．4．1 基于多测点车-桥振动响应的桥梁损伤识别方法

4．4．2 基于振动能量密度灵敏度的损伤识别方法

4．4．3 基于响应互相关灵敏度的损伤识别方法

4．4．4 几种基于多测点响应的损伤识别方法的比较

4．5 桥梁支座刚度的识别

4．5．1 车-桥振动响应对支座刚度的灵敏度分析

4．5．2 桥梁支座刚度的识别

4．5．3 同时识别桥梁支座刚度与单元刚度损伤

4．6 本章小结

第5章 基于小波变换灵敏度的桥梁损伤识别

5．1 小波变换简介

5．2 基于车-桥响应离散小波灵敏度的桥梁损伤识别方法

5．2．1 基本原理

5．2．2 算例

5．3 基于车-桥响应小波包灵敏度的桥梁损伤识别方法

5．3．1 基本原理

5．3．2 算例

5．4 基于车-桥响应连续小波变换的无模型损伤识别方法

5．4．1 基于连续小波变换的信号奇异性检测原理

5．4．2 基于集中扭转弹簧损伤模型的车桥动力分析

5．4．3 基于车-桥响应连续小波变换的无模型损伤识别方法

5．5 本章小结

第6章 列车参数不确定时的桥梁损伤识别研究

6．1 列车参数不确定时的桥梁损伤因子的区间估计

6．1．1 区间反演方法的具体步骤

6．1．2 桥梁响应对车辆参数的灵敏度分析

6．2 车辆参数对损伤识别结果的影响分析

6．2．1 不同车辆参数不确定时桥梁损伤识别

6．2．2 车辆参数对损伤识别结果的影响

6．3 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文的主要工作及结论

7．1．1 主要工作

7．1．2 主要结沦

7．2 进一步工作展望

参考文献

作者简历

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