一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，包括以下步驟：構(gòu)建分布式長標(biāo)距應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)：在被監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域中布置若干長標(biāo)距應(yīng)變傳感器；單車過橋時(shí)數(shù)據(jù)采集；根據(jù)分布式長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和傳感器的中心坐標(biāo)計(jì)算出該單元的剛度系數(shù)；將每個(gè)單元的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)矩陣；橋梁損傷識(shí)別和承載力狀態(tài)評估：利用長標(biāo)距剛度系數(shù)的變化情況識(shí)別損傷程度，通過多次樣本數(shù)據(jù)分析來提高識(shí)別結(jié)果的可靠性。本發(fā)明能夠在不影響正常交通運(yùn)營的情況下對橋梁進(jìn)行快速檢查和監(jiān)測，能提取出橋梁結(jié)構(gòu)的剛度分布情況，為橋梁的管養(yǎng)維修提供可靠依據(jù)。
【專利說明】
一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)及傳感監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損 傷識(shí)別評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速公路橋梁是高速交通系統(tǒng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，承受著恒載活載的同時(shí)也可能遭遇 人為的和自然災(zāi)害。橋梁的突然倒塌會(huì)導(dǎo)致生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失，因此，為了維護(hù)公共安 全，有必要適當(dāng)?shù)膶Ω咚俟窐蛄哼M(jìn)行監(jiān)測和檢查。因此，橋梁損傷識(shí)別方法的研究吸引了 大量的研究者。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心。結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別即是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行 檢測與評估，以確定結(jié)構(gòu)是否有損傷存在，進(jìn)而判斷損傷的位置和程度，以及結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀 況、使用功能和結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢等。
[0003] 然而目前的研究還存在一些問題：
[0004] (1)盡管有很多動(dòng)態(tài)損傷識(shí)別方法被提出來，但是結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別仍然面臨很大的 挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的方法都是基于傳統(tǒng)的加速度計(jì)、位移計(jì)和應(yīng)變計(jì)，這些傳感器反應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息 對于局部損傷不是過于'宏觀'，就是過于'局部'。頻率對局部損傷不敏感，很難反映局部損 傷。
[0005] (2)傳統(tǒng)的電傳感器存在壽命短、容易受電磁干擾等等缺點(diǎn)在使用過程中需要經(jīng) 常更換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于長標(biāo)距剛度系 數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法。
[0007] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷 識(shí)別評估方法，包括以下步驟：
[0008] (1)構(gòu)建分布式長標(biāo)距應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)：在被監(jiān)測橋梁上布置若干長標(biāo)距應(yīng)變 傳感器；
[0009] (2)單車過橋時(shí)數(shù)據(jù)采集:多次采集單輛車經(jīng)過監(jiān)測橋梁跨的長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程數(shù)； [0010] (3)根據(jù)分布式長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和每個(gè)傳感器的中心坐標(biāo)計(jì)算出所有單元的剛度 系數(shù)；
[0011] (4)將每個(gè)單元的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认?數(shù)矩陣；
[0012] (5)橋梁損傷識(shí)別和承載力狀態(tài)評估:利用長標(biāo)距剛度系數(shù)的變化情況識(shí)別損傷 程度，通過多次樣本數(shù)據(jù)分析來提高識(shí)別結(jié)果的可靠性。
[0013] 步驟(1)中，對于大跨橋，在橋梁的跨中和支座布置長標(biāo)距應(yīng)變傳感器進(jìn)行區(qū)域監(jiān) 測;對于中小跨的公路橋，在橋梁底滿布長標(biāo)距應(yīng)變傳感器監(jiān)測橋梁跨。
[0014] 其中，長標(biāo)距傳感器為長標(biāo)距光纖光柵傳感器或長標(biāo)距的電阻應(yīng)變傳感器。
[0015] 步驟(4)中，儲(chǔ)存每個(gè)長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距剛度系數(shù) 曲線，用于判斷橋梁剛度變化情況。
[0016] 步驟(3)中，計(jì)算長標(biāo)距剛度系數(shù)需要知道長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和傳感器的中心坐標(biāo)， 標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程采用長標(biāo)距傳感器獲取，傳感器中心坐標(biāo)為傳感器中心離支座的距離。
[0017] 有益效果:本發(fā)明的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其采用 長標(biāo)距應(yīng)變傳感器獲取橋梁的在車輛荷載下的長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程曲線，獨(dú)創(chuàng)性的利用分布式 長標(biāo)距剛度系數(shù)作為損傷識(shí)別的指標(biāo)來判定橋梁的損傷程度，利用分布式長標(biāo)距剛度系數(shù) 的分布狀況能夠直觀的了解橋梁的剛度分布，本發(fā)明能夠在不影響正常交通運(yùn)營的情況下 對橋梁進(jìn)行快速檢查和監(jiān)測，能很好地提取出橋梁結(jié)構(gòu)的剛度分布情況，具有迅速、準(zhǔn)確、 有效地進(jìn)行損傷定位和相對損傷程度定量分析，為橋梁的管養(yǎng)維修提供可靠依據(jù)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是車輛荷載作用下橋梁示意圖；
[0019] 圖2橋梁截面圖；
[0020] 圖3傳感器布置圖；
[0021] 圖4車輛通過時(shí)一號(hào)梁長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程；
[0022] 圖5完整狀況下不同車速下橋梁長標(biāo)距剛度系數(shù)分布圖；
[0023]圖6完整狀況下歸一化長標(biāo)距剛度系數(shù)分布圖；
[0024]圖7損傷狀態(tài)下的歸一化長標(biāo)距剛度系數(shù)分布圖；
[0025]圖8損傷程度識(shí)別結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0027] 一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，包括以下步驟：
[0028] (1)構(gòu)建分布式長標(biāo)距應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng)：在被監(jiān)測橋梁上布置若干長標(biāo)距應(yīng)變 傳感器；
[0029] (2)單車過橋時(shí)數(shù)據(jù)采集:多次采集單輛車經(jīng)過監(jiān)測橋梁跨的長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程數(shù)；
[0030] (3)根據(jù)分布式長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和每個(gè)傳感器的中心坐標(biāo)計(jì)算出所有單元的剛度 系數(shù)；
[0031] (4)將每個(gè)單元的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认?數(shù)矩陣；
[0032] (5)橋梁損傷識(shí)別和承載力狀態(tài)評估:利用長標(biāo)距剛度系數(shù)的變化情況識(shí)別損傷 程度，通過多次樣本數(shù)據(jù)分析來提高識(shí)別結(jié)果的可靠性。
[0033]步驟(1)中，對于大跨橋，在橋梁的跨中和支座布置長標(biāo)距應(yīng)變傳感器進(jìn)行區(qū)域監(jiān) 測;對于中小跨的公路橋，在橋梁底滿布長標(biāo)距應(yīng)變傳感器監(jiān)測橋梁跨。
[0034] 其中，長標(biāo)距傳感器為長標(biāo)距光纖光柵傳感器或長標(biāo)距的電阻應(yīng)變傳感器。
[0035]步驟(4)中，儲(chǔ)存每個(gè)長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距剛度系數(shù) 曲線，用于判斷橋梁剛度變化情況。
[0036]步驟(3)中，計(jì)算長標(biāo)距剛度系數(shù)需要知道長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和傳感器的中心坐標(biāo)， 標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程采用長標(biāo)距傳感器獲取，傳感器中心坐標(biāo)為傳感器中心離支座的距離。
[0037]本發(fā)明利用應(yīng)變影響線理論結(jié)合分布式長標(biāo)距應(yīng)變傳感技術(shù)對移動(dòng)荷載作用下 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度監(jiān)測，對于如圖1所示的梁式結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)的應(yīng)變影響線方程為
[0040] 其中Xi為計(jì)算截面沿著結(jié)構(gòu)長度方向的坐標(biāo)，EI為計(jì)算截面的抗彎剛度，y為計(jì)算 截面的中和軸高度，L為結(jié)構(gòu)的長度。
[0041] 對于如圖1所示的結(jié)構(gòu)在移動(dòng)荷載作用下坐標(biāo)xi處的應(yīng)變響應(yīng)可以表示成
[0043]其中dk(k=l~η)為第k個(gè)車軸距第一個(gè)軸距的距離（其中cU = 0)，（橋長為L，移動(dòng) 荷載一共有η個(gè)軸，第i個(gè)軸重SPi)，X為第一個(gè)車軸距左邊支座的距離，則公式(3)沿著結(jié) 構(gòu)長度方向上的積分為：
[0045]其中為坐標(biāo)&處的應(yīng)變影響線的面積，由式(1)和式(2)可以得出
[0051]其中，Eli為單元的彎曲剛度，v為移動(dòng)荷載的速度，to為移動(dòng)荷載的第1個(gè)軸剛進(jìn)入 結(jié)構(gòu)的時(shí)刻，tn為移動(dòng)荷載的最后一個(gè)軸(第η個(gè)軸）剛離開結(jié)構(gòu)的時(shí)刻，= 4⑴為 坐標(biāo)Xl處的應(yīng)變時(shí)程面積。心(t)為長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程面積。
[0055]可以看出，只要計(jì)算出長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程的面積值就能知道橋梁的剛度分布情況。 由于R是一個(gè)常數(shù)
-為單元?jiǎng)偠认禂?shù)，用于評估單元?jiǎng)偠确植紶顩r。
[0056]應(yīng)變時(shí)程沿著橋梁長度方向的積分等于車速與應(yīng)變時(shí)程面積的乘積。只要速度為 恒定值，則可以通過應(yīng)變時(shí)程的面積來進(jìn)行損傷定位。假設(shè)第i個(gè)單元?jiǎng)偠确派送嘶?。?度退化為(Εω^α-?^χ^ω，其中β為剛度退化的程度。
[0059] β是已知結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)下根據(jù)剛度系數(shù)計(jì)算的損傷程度。但是實(shí)際工程中，橋梁的 初始狀態(tài)是未知的，這給損傷定量帶來極大的困難。這里利用假定識(shí)別出損傷單元為第i個(gè) 單元，利用其相鄰的兩個(gè)單元的平均值作為初始值進(jìn)行損傷定量分析。這是等效損傷程度 聲為：
[0061]以一個(gè)試驗(yàn)結(jié)果說明法本法的具體實(shí)施方法，圖2為本發(fā)明方法使用的橋梁的截 面形式。橋梁為五片T型梁組成的預(yù)應(yīng)力橋，選擇第一片梁為監(jiān)測對象。
[0062]第一步構(gòu)建分布式長標(biāo)距應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。
[0063]根據(jù)橋梁的跨徑選擇傳感器的標(biāo)距和數(shù)量，方法中使用的橋梁跨度為3m，選擇傳 感器的標(biāo)距為30mm，監(jiān)測區(qū)域?yàn)槌ブё课坏?.7m跨徑。本次傳感器全部采用表面粘貼 的方式，先用打磨機(jī)打磨傳感器粘貼區(qū)域，再用酒精進(jìn)行表面清潔處理。畫線定點(diǎn)后，再用 AB膠臨時(shí)固定傳感器兩端的錨固點(diǎn)，待固化后即用結(jié)構(gòu)膠全面粘貼，施工人員在橋梁檢測 車上沿橋梁縱向施工待傳感器布置完畢、結(jié)構(gòu)膠固化后，便可開始采集數(shù)據(jù)。圖3為傳感器 的布置圖，每片梁安裝9個(gè)傳感器，編號(hào)分為1到9。
[0064]第二步采集單輛車通過橋梁時(shí)的長標(biāo)距應(yīng)變數(shù)據(jù)。
[0065]本次測試在單車荷載作用下進(jìn)行短時(shí)間監(jiān)測，采樣頻率為1000Hz，共采集到5個(gè)有 效樣本。采集的長標(biāo)距應(yīng)變數(shù)據(jù)見圖4。
[0066]第三步計(jì)算長標(biāo)距剛度系數(shù)。
[0067]根據(jù)式(8)，利用分布式長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和傳感器的中心坐標(biāo)計(jì)算出該單元的剛 度系數(shù)，每個(gè)長標(biāo)距傳感器能計(jì)算出一個(gè)長標(biāo)距剛度系數(shù)，不同速度下的分布式長標(biāo)距剛 度系數(shù)見圖5。
[0068]第四步按照式(9)將每個(gè)單元的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo) 距單元?jiǎng)偠认禂?shù)矩陣，采用第二個(gè)單元為參考單元進(jìn)行歸一化后的長標(biāo)距剛度分布曲線見 圖6〇
[0069]第五步承載力評估。
[0070] 利用長標(biāo)距剛度系數(shù)曲線的變化情況識(shí)別損傷程度，從而評定橋梁的承載力，損 傷程度識(shí)別結(jié)果見圖8。
[0071] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其特征在于:包括以下步驟： (1) 構(gòu)建分布式長標(biāo)距應(yīng)變傳感監(jiān)測系統(tǒng):在被監(jiān)測橋梁上布置若干長標(biāo)距應(yīng)變傳感 器； (2) 單車過橋時(shí)數(shù)據(jù)采集:多次采集單輛車經(jīng)過監(jiān)測橋梁跨的長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程數(shù)； (3) 根據(jù)分布式長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和每個(gè)傳感器的中心坐標(biāo)計(jì)算出所有單元的剛度系 數(shù)； (4) 將每個(gè)單元的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)矩 陣； (5) 橋梁損傷識(shí)別和承載力狀態(tài)評估:利用長標(biāo)距剛度系數(shù)的變化情況識(shí)別損傷程度， 通過多次樣本數(shù)據(jù)分析來提高識(shí)別結(jié)果的可靠性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其特征 在于:步驟(1)中，對于大跨橋，在橋梁的跨中和支座布置長標(biāo)距應(yīng)變傳感器進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測； 對于中小跨的公路橋，在橋梁底滿布長標(biāo)距應(yīng)變傳感器監(jiān)測橋梁跨。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其特征 在于:其中，長標(biāo)距傳感器為長標(biāo)距光纖光柵傳感器或長標(biāo)距的電阻應(yīng)變傳感器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其特征 在于:步驟(4)中，儲(chǔ)存每個(gè)長標(biāo)距單元?jiǎng)偠认禂?shù)形成矩陣，形成橋梁的長標(biāo)距剛度系數(shù)曲 線，用于判斷橋梁剛度變化情況。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于長標(biāo)距剛度系數(shù)的橋梁損傷識(shí)別評估方法，其特征 在于:步驟(3)中，計(jì)算長標(biāo)距剛度系數(shù)需要知道長標(biāo)距應(yīng)變時(shí)程和傳感器的中心坐標(biāo)，標(biāo) 距應(yīng)變時(shí)程采用長標(biāo)距傳感器獲取，傳感器中心坐標(biāo)為傳感器中心離支座的距離。
【文檔編號(hào)】G01M99/00GK106092623SQ201610356427
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】吳剛, 吳必濤, 楊才千, 何, 何一
【申請人】東南大學(xué)