基于沖擊振動的橋梁快速測試方法與理論創(chuàng)新.pdf

1、我國正處于信息化、智慧城市化、一帶一路的快速發(fā)展時期，基礎設施建設如火如荼。與此同時，橋梁在長期服役期間受到環(huán)境侵蝕、材料劣化、地基沉降、日常交通載荷等作用，導致其結(jié)構性能逐漸退化。服役期間甚至遭受車輛（船舶）撞擊、超載、危險品泄漏、自然災害等突發(fā)事件的風險。這些病害極大縮短了橋梁的使用壽命;這些安全事故造成嚴重的生命財產(chǎn)損失。因此，如何維護和管理數(shù)量龐大的橋梁設施，如何發(fā)現(xiàn)結(jié)構早期損傷和隱患是國內(nèi)外迫切需要解決的共同課題。當前，橋梁定

2、期檢查仍以人工檢測為主，費時費力。健康監(jiān)測技術由于其系統(tǒng)復雜、價格昂貴，難以廣泛用于數(shù)量眾多的中小橋。自動化檢測的研究與發(fā)展逐步應用于隧道、道路、鐵軌以及橋梁（拉索、橋面板和水下樁基礎），大大提高了檢測效率。然而可是，目前尚無針對橋梁整體安全性能快速評估的設備和技術方法。因此，為了實現(xiàn)我國公路網(wǎng)上廣大橋梁的快速測試與安全普查，開發(fā)橋梁快速測試裝置和理論方法是本文研究的目的及意義所在。本文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新點如下:
　　(1)整體思路

3、與框架。本文提出并開發(fā)了基于沖擊振動測試的橋梁快速測試方法及一體化裝置?；舅枷?一種橋梁快速檢測車集成了橋梁沖擊系統(tǒng)，傳感器布置系統(tǒng)，一體化控制系統(tǒng)，全程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并進行橋梁全面參數(shù)的識別（包括深層次參數(shù)，柔度），實現(xiàn)橋梁的快速測試與評估。獨特優(yōu)點:包含沖擊力和結(jié)構反應的沖擊振動測試數(shù)據(jù)具有獨特潛質(zhì)，它能夠估算得出和解析解一致的結(jié)構頻響函數(shù)以及更加完備的結(jié)構信息，有望挖掘更為真實和詳盡的結(jié)構特征。有益效果:基于沖擊振動的橋梁快速測

4、試方法能夠得進一步識別結(jié)構柔度。柔度（剛度的倒數(shù)）直接對應于結(jié)構的承載能力信息。識別柔度后，可以預測結(jié)構在任意靜載下的撓度。從而利用橋梁快速檢測車實現(xiàn)廣大中小橋梁的快速測試與評估。
　　(2)研究了沖擊振動潛在的理論優(yōu)勢。首先從理論上推導證明了沖擊振動與環(huán)境振動數(shù)據(jù)包含結(jié)構信息是具有本質(zhì)的不同，即由沖擊振動測試數(shù)據(jù)所估算的結(jié)構頻響函數(shù)為真實的頻響函數(shù)，其頻響函數(shù)幅值和理論值保持一致;而環(huán)境振動所估算的頻響函數(shù)僅與理論解的形狀相同（

5、故僅能識別結(jié)構基本參數(shù)，比如頻率、振型等）而幅值不同（存在一定的比例關系(L)roi），故環(huán)境振動下的數(shù)據(jù)無法估算得到結(jié)構的深層次參數(shù)。從而證明利用沖擊振動測試數(shù)據(jù)（沖擊力與結(jié)構沖擊反應）進行結(jié)構深層次參數(shù)識別具有根本的優(yōu)勢。
　　(3)研究了基于沖擊振動測試的位移柔度識別理論。傳統(tǒng)的柔度識別需要借助于有限元模型提取結(jié)構的質(zhì)量信息，利用質(zhì)量歸一化的位移振型來實現(xiàn)結(jié)構的柔度識別。顯然這種已知質(zhì)量的柔度識別方法的可靠度在于有限元模型的

6、精細化程度，同時不符合本文提出的快速測試思想。本文將位移柔度寫為復模態(tài)形式，通過識別位移振型、模態(tài)縮放系數(shù)和系統(tǒng)極點來求解位移柔度，回避了識別結(jié)構質(zhì)量信息的問題。其中，模態(tài)縮放系數(shù)是整個柔度識別的核心所在。本文利用振型向量的正交性將No×Nl個頻響函數(shù)降維和解耦為單自由度單模態(tài)的增強頻響函數(shù)來識別固有頻率和阻尼比，最后利用已識別出的第r階系統(tǒng)極點λr來識別模態(tài)縮放系數(shù)Qr。
　　(4)研究了基于結(jié)構分塊的沖擊振動測試方法。傳統(tǒng)測試

7、方法都是針對全結(jié)構測量，需要布置大量的傳感器，測試成本高昂、橋梁封閉時間長，無法滿足本文所提出的快速測試要求。為解決這一工程問題，本文提出了橋梁分塊沖擊振動測試方法，通過將橋面劃分為各個子結(jié)構，對每個子結(jié)構進行獨立振動測試，然后將各個子結(jié)構的模態(tài)參數(shù)集成為全結(jié)構的參數(shù)，用于識別整體結(jié)構的位移柔度矩陣。其關鍵問題在于如何解決各個子結(jié)構位移振型的集成。因為結(jié)構的位移振型只表示結(jié)構在各階固有頻率處的振動形態(tài)，并不表示結(jié)構真實的振動幅度，所以各

8、個子結(jié)構識別的各階位移振型可以任意縮放，同時振型方向并不固定，這就造成了各個子結(jié)構識別的各階位移振型的幅度不同和振型方向錯誤的問題。本文提出了多參考點與單參考點分塊沖擊振動測試，并利用振型連續(xù)性和頻響函數(shù)相位曲線分別解決了多參考點和單參考點分塊沖擊振動測試子結(jié)構模態(tài)參數(shù)集成問題。
　　(5)開發(fā)了橋梁快速測試一體化裝置及其工程應用。針對橋梁沖擊振動測試，本文開發(fā)了一種適應中小橋梁安全診斷的沖擊荷載裝置。該裝置能夠產(chǎn)生大幅值、寬頻域

9、和單峰值特征的沖擊力，在以不損壞結(jié)構的前提下充分激勵出橋梁的真實動力特性。同時，還開發(fā)了傳感器自動化布置的車載伸縮懸臂裝置，該裝置通過使用少量的加速度計隨著測量車的移動在橋面上快速測量，方便快捷高效。解決了傳統(tǒng)加速度計通過膠或磁座等粘貼固定于橋面，不易拆卸、不易重復使用、人工操作多，耗費時間長等問題。最后，通過現(xiàn)場實橋測試驗證了本文所提出方法的準確性與實用性。
　　(6)提出了基于溫度荷載（輸入）與結(jié)構溫度反應（輸出）的大跨橋梁評