基于沖擊振動(dòng)的橋梁快速測(cè)試方法與理論創(chuàng)新.pdf

1、我國(guó)正處于信息化、智慧城市化、一帶一路的快速發(fā)展時(shí)期，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼。與此同時(shí)，橋梁在長(zhǎng)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(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能逐漸退化。服役期間甚至遭受車輛（船舶）撞擊、超載、危險(xiǎn)品泄漏、自然災(zāi)害等突發(fā)事件的風(fēng)險(xiǎn)。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(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何維護(hù)和管理數(shù)量龐大的橋梁設(shè)施，如何發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)早期損傷和隱患是國(guó)內(nèi)外迫切需要解決的共同課題。當(dāng)前，橋梁定

2、期檢查仍以人工檢測(cè)為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。健康監(jiān)測(cè)技術(shù)由于其系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，難以廣泛用于數(shù)量眾多的中小橋。自動(dòng)化檢測(cè)的研究與發(fā)展逐步應(yīng)用于隧道、道路、鐵軌以及橋梁（拉索、橋面板和水下樁基礎(chǔ)），大大提高了檢測(cè)效率。然而可是，目前尚無針對(duì)橋梁整體安全性能快速評(píng)估的設(shè)備和技術(shù)方法。因此，為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)公路網(wǎng)上廣大橋梁的快速測(cè)試與安全普查，開發(fā)橋梁快速測(cè)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?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)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(dòng)測(cè)試的橋梁快速測(cè)試方法及一體化裝置?；舅枷?一種橋梁快速檢測(cè)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(jìn)行橋梁全面參數(shù)的識(shí)別（包括深層次參數(shù)，柔度），實(shí)現(xiàn)橋梁的快速測(cè)試與評(píng)估。獨(dú)特優(yōu)點(diǎn):包含沖擊力和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的沖擊振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)具有獨(dú)特潛質(zhì)，它能夠估算得出和解析解一致的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)以及更加完備的結(jié)構(gòu)信息，有望挖掘更為真實(shí)和詳盡的結(jié)構(gòu)特征。有益效果:基于沖擊振動(dòng)的橋梁快速測(cè)

4、試方法能夠得進(jìn)一步識(shí)別結(jié)構(gòu)柔度。柔度（剛度的倒數(shù)）直接對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)的承載能力信息。識(shí)別柔度后，可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在任意靜載下的撓度。從而利用橋梁快速檢測(cè)車實(shí)現(xiàn)廣大中小橋梁的快速測(cè)試與評(píng)估。
　　(2)研究了沖擊振動(dòng)潛在的理論優(yōu)勢(shì)。首先從理論上推導(dǎo)證明了沖擊振動(dòng)與環(huán)境振動(dòng)數(shù)據(jù)包含結(jié)構(gòu)信息是具有本質(zhì)的不同，即由沖擊振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)所估算的結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)為真實(shí)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(dòng)所估算的頻響函數(shù)僅與理論解的形狀相同（

5、故僅能識(shí)別結(jié)構(gòu)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(guān)系(L)roi），故環(huán)境振動(dòng)下的數(shù)據(jù)無法估算得到結(jié)構(gòu)的深層次參數(shù)。從而證明利用沖擊振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)（沖擊力與結(jié)構(gòu)沖擊反應(yīng)）進(jìn)行結(jié)構(gòu)深層次參數(shù)識(shí)別具有根本的優(yōu)勢(shì)。
　　(3)研究了基于沖擊振動(dòng)測(cè)試的位移柔度識(shí)別理論。傳統(tǒng)的柔度識(shí)別需要借助于有限元模型提取結(jié)構(gòu)的質(zhì)量信息，利用質(zhì)量歸一化的位移振型來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的柔度識(shí)別。顯然這種已知質(zhì)量的柔度識(shí)別方法的可靠度在于有限元模型的

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

7、方法都是針對(duì)全結(jié)構(gòu)測(cè)量，需要布置大量的傳感器，測(cè)試成本高昂、橋梁封閉時(shí)間長(zhǎng)，無法滿足本文所提出的快速測(cè)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(dòng)測(cè)試方法，通過將橋面劃分為各個(gè)子結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)立振動(dòng)測(cè)試，然后將各個(gè)子結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)集成為全結(jié)構(gòu)的參數(shù)，用于識(shí)別整體結(jié)構(gòu)的位移柔度矩陣。其關(guān)鍵問題在于如何解決各個(gè)子結(jié)構(gòu)位移振型的集成。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的位移振型只表示結(jié)構(gòu)在各階固有頻率處的振動(dòng)形態(tài)，并不表示結(jié)構(gòu)真實(shí)的振動(dòng)幅度，所以各

8、個(gè)子結(jié)構(gòu)識(shí)別的各階位移振型可以任意縮放，同時(shí)振型方向并不固定，這就造成了各個(gè)子結(jié)構(gòu)識(shí)別的各階位移振型的幅度不同和振型方向錯(cuò)誤的問題。本文提出了多參考點(diǎn)與單參考點(diǎn)分塊沖擊振動(dòng)測(cè)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(diǎn)和單參考點(diǎn)分塊沖擊振動(dòng)測(cè)試子結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)集成問題。
　　(5)開發(fā)了橋梁快速測(cè)試一體化裝置及其工程應(yīng)用。針對(duì)橋梁沖擊振動(dòng)測(cè)試，本文開發(fā)了一種適應(yīng)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(gòu)的前提下充分激勵(lì)出橋梁的真實(shí)動(dòng)力特性。同時(shí)，還開發(fā)了傳感器自動(dòng)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(jì)隨著測(cè)量車的移動(dòng)在橋面上快速測(cè)量，方便快捷高效。解決了傳統(tǒng)加速度計(jì)通過膠或磁座等粘貼固定于橋面，不易拆卸、不易重復(fù)使用、人工操作多，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等問題。最后，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋測(cè)試驗(yàn)證了本文所提出方法的準(zhǔn)確性與實(shí)用性。
　　(6)提出了基于溫度荷載（輸入）與結(jié)構(gòu)溫度反應(yīng)（輸出）的大跨橋梁評(píng)