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原文传递基于冲击振动测试的桥梁快速安全评估

论文题名：	基于冲击振动测试的桥梁快速安全评估
关键词：	桥梁检测;安全评估;冲击振动;位移柔度识别
摘要：	桥梁是交通工程的枢纽，关系到社会经济发展的命脉。但桥梁在长期的使用过程中难免发生各种结构损伤，产生损伤的原因主要有环境腐蚀，地震、台风等极端自然灾害，使用、维护不当等人为因素。这些因素造成桥梁结构抗力衰减和安全隐患。桥梁检测和健康监测技术是目前进行桥梁维护和安全评价的主要手段，但定期检测方法主要以人工为主，费力费时;结构健康监测技术费用昂贵且系统复杂，还无法广泛应用于维护费用极其有限的广大中小桥梁的安全评估，因此开发方便快捷并且结果可靠的桥梁快速测试技术，是实现国家公路网上广大中小桥梁安全评价的重要手段。本文主要研究了基于冲击振动测试的桥梁快速安全评估方法，论文的研究内容及创新点如下: 　　(1)提出了桥梁快速测试与评估系统。首先从理论上进行推导冲击振动与环境振动数据包含结构信息的本质不同，即由冲击振动测试数据所计算的结构频响函数为真实的频响函数，其频响函数幅值和理论值保持一致;而环境振动所估算的频响函数为缩放过的值，从而证明利用冲击振动进行结构识别时具有根本优势。其次介绍了桥梁快速测试系统硬件开发，主要包括新型冲击荷载产生装置和传感器自动化安装装置。冲击荷载产生装置利用重锤式自由落体产生冲击力，它能够提供大幅值、宽频域、高质量的冲击振动数据。传感器自动化1安装装置在车辆行驶过程中可实现传感器的自动化安装与拆卸，大幅度减少测试时间，两者均服务于桥梁快速测试与评估系统。最后建立了基于冲击振动的桥梁快速测试系统框架。该桥梁快速测试系统方便快捷，同时又建立在结构深层次参数识别的深厚理论基础之上，能够可靠地实现所测桥梁结构的结构识别与承载能力评估。　　(2)研究了基于冲击振动的位移柔度识别理论。结构柔度矩阵作为刚度矩阵的逆矩阵，是结构的重要参数，与结构损伤识别和结构承载能力评估有着密切联系。本文从结构正反两个方面分析总结了位移频响函数的计算方法，包括定义式、实模态计算式和复模态计算式、多输入多输出下频响函数的估计。在公式推导过程中发现识别模态缩放系数是识别结构柔度的关键，从理论上推导了冲击振动下位移柔度矩阵的各种计算方法，包括质量已知情况下位移柔度矩阵的计算式和质量未知情况下如何利用CMIF法识别固有频率、阻尼比、振型、位移柔度等模态参数。利用CMIF方法识别结构位移柔度不需要知道结构质量，具有广泛的实用价值。　　(3)研究开发了基于多参考点分块的桥梁快速冲击振动测试方法。传统冲击振动测试方法都是针对全结构，需要布置大量的传感器，在测试成本和测试效率方面存在诸多问题。本文提出了结构分块冲击振动测试方法，每次仅观察子结构内所有节点的响应，其优点是可显著减少所需传感器数目，实现桥梁的快速冲击振动测试，但导致的问题是如何融合子结构的数据来识别整个结构的特征。针对该问题，本章提出了子结构多参考点法来融合各个子结构的观测数据。子结构多参考点法在划分子结构时，各相邻子结构在边界处有相同的节点，基于相邻子结构在边界处的位移模态振型连续来实现子结构参数融合，可得到整体结构的位移柔度矩阵，最后给出了试验来验证所提方法的有效性。　　(4)研究开发了基于单参考点分块的桥梁快速冲击振动测试方法。在子结构多参考点法的研究基础上进行改进，提出了效率更高适用性更强的子结构单参考点法。子结构单参考点法在划分子结构时，各子结构仅有一个共同节点即单参考点且该参考点的选择是任意的，基于参考点频响函数的相位角曲线来实现子结构参数融合，得到全结构的位移柔度矩阵，最后通过试验和有限元模拟来充分验证所提方法的有效性。
作者：	张欣
专业：	土木工程
导师：	张建
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文