混凝土橋梁結構損傷識別試驗研究.pdf

1、結構損傷識別方法是橋梁結構健康監(jiān)測系統的重要組成部分，而基于結構動力響應的損傷識別方法更是目前的研究熱點，本文在國家自然科學基金(51078134)資助下，對混凝土橋梁結構模型修正和基于隨機子空間的結構損傷識別算法進行了研究，主要內容包括:
　　Ⅰ、模型斜拉橋模態(tài)測試及模型修正
　　(1)對一座主跨12m的獨塔混凝土模型斜拉橋進行了模態(tài)測試。通過多次錘擊試驗，獲得了主梁豎向和扭轉模態(tài)、主梁橫橋向模態(tài)、橋塔面內和面外模態(tài)的測試

2、結果，對實測模態(tài)結果進行了匯總，為模型修正提供依據。
　　(2)對模型斜拉橋進行了靜動力狀態(tài)下的模型修正，并對修正后的模型進行了檢驗。根據模型橋∏形主梁的特點，采用ANSYS建立了空間梁板有限元模型?；陬l率靈敏度分析對結構優(yōu)化參數進行選擇，邊界條件通過彈簧單元進行模擬。將振型進行詳細的分類，模態(tài)匹配只在同類型振型之間進行，實踐表明，該方法能夠解決復雜結構的模態(tài)匹配問題。模型修正時使用的目標函數包括動力參數和靜力位移，修正后的模型

3、不僅參與優(yōu)化計算的靜力位移、模態(tài)參數與實測值更加吻合，沒有參與優(yōu)化的更高階頻率也與實測結果更接近。最后，使用另一狀態(tài)下的模態(tài)測試結果對修正后的有限元模型進行了檢驗。
　　Ⅱ、基于隨機子空間的損傷識別算法
　　對基于隨機子空間的多種損傷指標進行了分析評價，在此基礎上，提出了一個新的損傷指標(IA)。仿真分析結果表明:模型殘差損傷指標、協方差Hankel矩陣損傷指標、離散狀態(tài)空間矩陣損傷指標(TA)均能有效對損傷程度進行識別，指

4、標值與損傷程度基本呈線性關系，其中，本文提出的損傷指標IA對損傷最敏感，相同損傷程度下指標值最大。使用模型殘差損傷指標時，模型的階數取值比實際階數稍大時效果更好，使用協方差Hankel矩陣損傷指標時，模型階數宜比實際階數小。
　?、蟆⒒炷列崩瓨驌p傷試驗研究
　　(1)測試分析了預應力對混凝土結構頻率的影響，橋塔和主梁的頻率均隨著預應力的增加而提高，張拉完橋塔預應力，塔面外一二階頻率分別提高了1.98％、2.81％。張拉完主

5、梁預應力，主梁前四階頻率最大提高為1.69％，其主要原因可能是預應力筋張拉后，預應力使得混凝土結構的一部分微裂縫閉合，提高了截面的剛度，此外，預應力筋張拉后與混凝土結構形成一個整體，共同工作，增加了結構的剛度。
　　(2)對主梁四個損傷工況的索力變化進行了測試，各工況下邊跨索力均有少量增加;工況一和工況二索力變化較小，變化規(guī)律不明顯;工況三和工況四損傷區(qū)域索力減小較明顯，可以對損傷位置進行較好的判斷。兇而，當主梁損傷程度較大時，可

6、以通過拉索索力的變化對損傷進行定位。
　　(3)對主梁和下游側橋塔進行了損傷試驗，采用基于隨機子空間的損傷指標對各損傷工況進行了識別，結果表明:觀測標準型損傷指標不能正確識別損傷;模型殘差損傷指標的識別效果較差，對判定有無損傷存在一定難度;協方差Hankel矩陣損傷指標（IU、IUV）和離散狀態(tài)空間矩陣損傷指標(IA)能夠較好的識別有無損傷及損傷程度，IA指標對損傷的敏感性和損傷程度的相關性識別效果略好于IU、IUA指標。

7、　　(4)采用模型修正的方法對主梁和橋塔的損傷程度進行了定量分析，通過假定損傷區(qū)域單元彈性模量降低來模擬損傷，最大損傷時，主梁和橋塔損傷區(qū)域單元彈性模量分別降為未損傷狀態(tài)的61％、88％。
　?、?、預應力混凝土箱梁足尺模型試驗研究
　　(1)采用條帶法編制了預應力混凝土梁的非線性計算程序，并與試驗結果進行了對比，結果表明該程序計算結果準確可靠，可用程序對各損傷狀態(tài)的靜力剛度進行計算。對實測的荷載-位移曲線，采用簡化方法計算了

8、其卸載曲線，效果良好。
　　(2)使用盒計數法對小箱梁和空心板的裂縫分布進行了分析，結果表明:小箱梁和空心板的裂縫分布具有分形特征，隨著損傷程度的增加，裂縫分形維數增加。損傷過程中的裂縫分形維數與頻率存在明顯的兩折線關系，轉折點即為荷載-位移曲線預應力鋼筋屈服的特征點。
　　(3)對損傷過程中的動靜力剛度進行了分析，結果表明:未損傷狀態(tài)時，靜力剛度與動力剛度基本一致，各損傷狀態(tài)的動力剛度下降幅度明顯要小于靜力剛度，動力剛度與