基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法

摘要

本发明公开了一种基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法，包括以下步骤：1）选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，通过所述传感器采集的数据得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；2）通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；3）对步骤1）所得到的曲线A和步骤2所得到的曲线B的相似度进行比较，将曲线A相对于曲线B的明显波动处进行标记，将标记处所对应的桥梁坐标评估为桥梁损伤处。本发明解决了对现役桥梁的损伤处进行快速识别的技术问题。

说明书

技术领域

本发明属于交通运输业桥涵工程质量检测技术领域，具体涉及一种基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法。

背景技术

我国是桥梁大国，新建和已建桥梁众多，其中大部分是连续梁桥，有的桥梁运营很久，材料老化严重，截面刚度折减较大，无论是老桥还是新桥都需要一套精确有效的评估现有桥梁状态以及确定其承载力的方法，并进一步对桥梁结构损伤进行识别，利用荷载试验可以直观的评估其状态，其评定结果较为准确可靠，但是荷载试验存在试验所需时间较长的问题，整个试验过程需要封闭交通，布置的测点繁多，需要耗费相当可观的时间和检测费用，并且实际检测结果通常要与结构模型分析对比，但不同软件计算出理论数据有一定差别，加上根据影响线点乘试验荷载的算法无法精确反应实际状态。传统荷载试验通过计算使试验荷载作用下的试验荷载效率在一定范围内，并将试验荷载施加在桥梁的指定位置上，测量测试截面的静力位移、静力应变等参数，从而对桥梁的工作性能和使用能力做出评价。传统方法需要的车辆较多，在试验现场找车困难，加载车称重不能完全符合计算的荷载，车辆布载的位置也根据不同工况时刻变化，随机性太大，重复试验数据对比性不高。

因此，如何解决以上实际检测和计算中的问题，是亟待解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法，以解决对现役桥梁的整体性能进行在线评估的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法，包括以下步骤：

1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，通过所述传感器采集的数据得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；

2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；

3)对步骤1)所得到的实际应变曲线A和步骤2所得到的理论应变曲线B的相似度进行比较，将实际应变曲线A相对于理论应变曲线B的明显波动处进行标记，并将标记处所对应的桥梁坐标评估为桥梁损伤处。

作为本发明一种改进的方式，所述步骤1)中，所述传感器设有若干个，并且在截面上均匀布置；所述传感器通过屏蔽电缆依次连接高速采集器和处理单元；所述高速采集器对传感器的传感器测试信号进行采集并发送到处理单元中；所述处理单元对传感器测试信号进行滤波处理并得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A。

作为本发明一种改进的方式，所述步骤1)中，所述加载车具有1个前轴和2个后轴(分别为后轴Ⅰ和后轴Ⅱ)，所述加载车的前轴Ⅰ的重量P

式中，

作为本发明一种改进的方式，所述步骤3)中，通过MATLAB对实际应变曲线A相对于理论应变曲线B的明显波动处进行坐标标记和数量统计并得到统计结果，将统计结果与评定标准进行对比得出桥梁的损伤位置和损伤程度。

作为本发明一种改进的方式，所述传感器为应变传感器或位移传感器或应力传感器。

作为本发明一种改进的方式，所述连续梁为三跨任意截面任意跨径连续梁，该连续梁包括桥梁1#跨、2#跨和3#跨，定义连续梁的1#跨跨径为L

式中：L为三跨连续梁总跨径即L＝L

/>

式中，

式中，E

作为本发明一种改进的方式，所述步骤3)中，取所述加载车通过测试桥梁总长度的5％～95％之间的应变曲线进行比较。

作为本发明一种改进的方式，所述步骤3)中，取所述应变曲线应采用挠度时程曲线。

本发明的优点：

1.本申请提出了一种桥梁结构损伤进行快速识别的方法；其推导的公式简单易懂，而且可以很全面的反应桥梁的整体状态，突破了影响线点乘理论荷载作为评定算法的局限性，而且通过不中断交通的情况下通过在某个控制截面布置1到多个应变测点，一辆特定试验车匀速跑过即可测得反应曲线，进而通过实际曲线与理论曲线对比即可对桥梁的结构损伤进行有效的识别。

2.本申请公开的方法简便、效果明显、计算简单、准确性高，具有广阔的工程运用前景。在本发明中，引入试验的加载车轴重和轴距，根据本申请提供的公式可求得特定加载车辆从连续梁梁端移动到尾部时控制截面处弯矩的变化效应函数。

3.本申请中取加载车通过测试桥梁总长度的5％～95％之间的应变曲线进行比较，主要是因为加载车在上桥和下桥的过程中会存在一定的冲击，会影响传感器的测量结果从而引起较大误差，因此选取加载车在测试桥梁上平稳行驶的节段进行评估可以提高评估结果的准确性。

附图说明

图1是本发明中桥梁结构损伤进行快速识别的方法示意图；

图2是本发明实施例1桥梁侧视布置图；

图3是本发明实施例1桥梁俯视布置图；

图4是本发明实施例1桥梁横截面结构示意图；

图5是本发明实施例1应变测点布置图；

图6是本发明实施例1桥梁截面弯矩理论应变曲线和实测应变曲线图；

图7是本发明推导出的任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式和有限元软件计算结果曲线图；

图8是第一跨跨中弯矩值的导出公式与有限元软件计算结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1至图4所示，一种基于应变时程曲线的连续梁结构损伤识别方法，包括以下步骤：

1)选定测试桥梁的桥头为原点，以桥头至桥尾方向为正方向，于桥梁上坐标为x的截面处安装传感器，使加载车从桥头端上桥并匀速行驶过桥，通过所述传感器采集的数据得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A；

所述传感器可以设有1个或多个，若设有多个，若干个所述传感器在设置截面上均匀布置；所述传感器通过屏蔽电缆依次连接高速采集器和处理单元；所述高速采集器对传感器的传感器测试信号进行采集并发送到处理单元中；所述处理单元对传感器测试信号进行滤波处理并得到所述截面x处的弯矩值随所述加载车位置变化的实际应变曲线A。所述传感器可以为应变传感器或位移传感器或应力传感器或其它传感器。

2)通过公式推导出截面x处的弯矩值随加载车车辆位置变化的理论应变曲线B；

所述加载车具有1个前轴和2个后轴，所述加载车前轴Ⅰ的重量P

式中，

所述桥梁的连续梁为三跨任意截面任意跨径连续梁，该连续梁包括桥梁1#跨、2#跨和3#跨，定义连续梁的1#跨跨径为L

式中：L为三跨连续梁总跨径即L＝L

式中，

/>

式中，E

3)通过比较步骤1)所得到的曲线A和步骤2所得到的曲线B的形状进行对比，将曲线A相对于曲线B的明显波动处进行标记，将标记处所对应的桥梁坐标评估为桥梁损伤处。

在本实施例中，通过MATLAB对曲线A相对于曲线B的明显波动处进行的数量和坐标进行统计并得到统计结果，将统计结果与评定标准进行对比得出桥梁的损伤程度还可以通过其它曲线相似度的比较方法来对桥梁整体性能进行评估。

由于加载车在上桥和下桥的过程中会存在一定的冲击，会影响传感器的测量结果从而引起较大误差，因此选取加载车在测试桥梁上平稳行驶的节段进行评估可以提高评估结果的准确性。

应用实例：

本实施例评估某三跨等截面等跨径连续梁桥，已知桥梁上部为30+35+30m预应力混凝土连续箱梁。桥梁下部结构采用柱式墩，柱式台，钻孔灌注桩基础。

跨径为L

桥型布置图见附图2～图4，取1#跨跨中截面为测试截面，应变测点布置图见附图5。若跨径为20m时，驾驶加载车从桥头匀速缓慢开到桥尾，通过求各个测量点的平均值得出1#跨跨中混凝土应变平均值变化曲线，应变变化曲线见图6。实际试验采用相同方法可以得到弯矩平均值变化曲线。

利用本发明的方法验证1#跨跨中截面弯矩影响线表达式，具体步骤如下：

求出边跨跨中截面(x＝L1/2＝15m)的影响线解析式：

令x＝L

根据上述公式得出任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式并作图，如图7示，图中的实测曲线在Q点出现异常波动，Q点所对应的坐标为20米处，则初步判断桥梁坐标20米处为损伤处。

本发明推导出的任意截面x处的弯矩随移动车辆变化效应函数公式和采用Midas有限元软件计算结果很好的吻合，如图8所示，验证了公式的正确性。对于任意变截面三跨连续梁均可以通过公式推导，推导的影响线曲线点乘试验荷载可得到M(xp)的曲线方程，积分可得面积，进而和实测值比较和评估。通过MATLAB对曲线A相对于曲线B的明显波动处进行坐标标记和数量统计并得到统计结果，将统计结果与评定标准进行对比得出桥梁的损伤位置和损伤程度，计算简单明了，可以很好运用在工程实例中。

本发明一种基于任意截面弯矩影响线面积快速识别连续梁损伤的方法，推导的公式简单易懂，可以较全面的反应桥梁的整体状态，突破了影响线点乘理论荷载作为评定算法的局限性，而且通过不中断交通的情况下通过在某个控制截面布置一到多个应变测点，一辆特定试验车匀速跑过即可测得反应曲线，进而对比判断。本发明公开的方法简便，效果明显，计算简单，准确性高，具有广阔的工程运用前景。

本申请通过简单易懂的推导公式直接求得解析解，比软件计算更加精确，实测各参数变动后可随时调整，可操作性强；本申请方法针对不同跨径和截面刚度的桥梁的任意截面位置影响线解析式进行推导；本发明利用弯矩效应函数积分面积评估可以更全面的反应实际桥梁的承载能力状态，突破了传统影响线点乘理论荷载的局限性；应变时程曲线应采用挠度时程曲线，本发明可以在不中断交通情况下快速试验，方法和过程简单、易行，实际试验效果明显，可以提高现有桥梁荷载的检测精度和效率，降低人力物力成本，具有较大的实际工程应用价值。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。