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原文传递基于冲击振动的桥梁快速测试方法与理论创新

论文题名：	基于冲击振动的桥梁快速测试方法与理论创新
关键词：	桥梁检测;冲击振动;位移柔度识别;结构分块
摘要：	我国正处于信息化、智慧城市化、一带一路的快速发展时期，基础设施建设如火如荼。与此同时，桥梁在长期服役期间受到环境侵蚀、材料劣化、地基沉降、日常交通载荷等作用，导致其结构性能逐渐退化。服役期间甚至遭受车辆（船舶）撞击、超载、危险品泄漏、自然灾害等突发事件的风险。这些病害极大缩短了桥梁的使用寿命;这些安全事故造成严重的生命财产损失。因此，如何维护和管理数量庞大的桥梁设施，如何发现结构早期损伤和隐患是国内外迫切需要解决的共同课题。当前，桥梁定期检查仍以人工检测为主，费时费力。健康监测技术由于其系统复杂、价格昂贵，难以广泛用于数量众多的中小桥。自动化检测的研究与发展逐步应用于隧道、道路、铁轨以及桥梁（拉索、桥面板和水下桩基础），大大提高了检测效率。然而可是，目前尚无针对桥梁整体安全性能快速评估的设备和技术方法。因此，为了实现我国公路网上广大桥梁的快速测试与安全普查，开发桥梁快速测试装置和理论方法是本文研究的目的及意义所在。本文的研究内容及创新点如下: 　　(1)整体思路与框架。本文提出并开发了基于冲击振动测试的桥梁快速测试方法及一体化装置。基本思想:一种桥梁快速检测车集成了桥梁冲击系统，传感器布置系统，一体化控制系统，全程数据分析系统，并进行桥梁全面参数的识别（包括深层次参数，柔度），实现桥梁的快速测试与评估。独特优点:包含冲击力和结构反应的冲击振动测试数据具有独特潜质，它能够估算得出和解析解一致的结构频响函数以及更加完备的结构信息，有望挖掘更为真实和详尽的结构特征。有益效果:基于冲击振动的桥梁快速测试方法能够得进一步识别结构柔度。柔度（刚度的倒数）直接对应于结构的承载能力信息。识别柔度后，可以预测结构在任意静载下的挠度。从而利用桥梁快速检测车实现广大中小桥梁的快速测试与评估。　　(2)研究了冲击振动潜在的理论优势。首先从理论上推导证明了冲击振动与环境振动数据包含结构信息是具有本质的不同，即由冲击振动测试数据所估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仅与理论解的形状相同（故仅能识别结构基本参数，比如频率、振型等）而幅值不同（存在一定的比例关系(L)roi），故环境振动下的数据无法估算得到结构的深层次参数。从而证明利用冲击振动测试数据（冲击力与结构冲击反应）进行结构深层次参数识别具有根本的优势。　　(3)研究了基于冲击振动测试的位移柔度识别理论。传统的柔度识别需要借助于有限元模型提取结构的质量信息，利用质量归一化的位移振型来实现结构的柔度识别。显然这种已知质量的柔度识别方法的可靠度在于有限元模型的精细化程度，同时不符合本文提出的快速测试思想。本文将位移柔度写为复模态形式，通过识别位移振型、模态缩放系数和系统极点来求解位移柔度，回避了识别结构质量信息的问题。其中，模态缩放系数是整个柔度识别的核心所在。本文利用振型向量的正交性将No×Nl个频响函数降维和解耦为单自由度单模态的增强频响函数来识别固有频率和阻尼比，最后利用已识别出的第r阶系统极点λr来识别模态缩放系数Qr。　　(4)研究了基于结构分块的冲击振动测试方法。传统测试方法都是针对全结构测量，需要布置大量的传感器，测试成本高昂、桥梁封闭时间长，无法满足本文所提出的快速测试要求。为解决这一工程问题，本文提出了桥梁分块冲击振动测试方法，通过将桥面划分为各个子结构，对每个子结构进行独立振动测试，然后将各个子结构的模态参数集成为全结构的参数，用于识别整体结构的位移柔度矩阵。其关键问题在于如何解决各个子结构位移振型的集成。因为结构的位移振型只表示结构在各阶固有频率处的振动形态，并不表示结构真实的振动幅度，所以各个子结构识别的各阶位移振型可以任意缩放，同时振型方向并不固定，这就造成了各个子结构识别的各阶位移振型的幅度不同和振型方向错误的问题。本文提出了多参考点与单参考点分块冲击振动测试，并利用振型连续性和频响函数相位曲线分别解决了多参考点和单参考点分块冲击振动测试子结构模态参数集成问题。　　(5)开发了桥梁快速测试一体化装置及其工程应用。针对桥梁冲击振动测试，本文开发了一种适应中小桥梁安全诊断的冲击荷载装置。该装置能够产生大幅值、宽频域和单峰值特征的冲击力，在以不损坏结构的前提下充分激励出桥梁的真实动力特性。同时，还开发了传感器自动化布置的车载伸缩悬臂装置，该装置通过使用少量的加速度计随着测量车的移动在桥面上快速测量，方便快捷高效。解决了传统加速度计通过胶或磁座等粘贴固定于桥面，不易拆卸、不易重复使用、人工操作多，耗费时间长等问题。最后，通过现场实桥测试验证了本文所提出方法的准确性与实用性。　　(6)提出了基于温度荷载（输入）与结构温度反应（输出）的大跨桥梁评估方法。本文所开发的冲击振动理论以及快速测试方法可以满足于公路网上广大中小桥的快速测试与评估。但应用于大跨桥梁还存在不足之处。故本论文在冲击振动理论（有输入有输出）的基础上，首次提出了基于温度荷载（输入）与温度诱导应变（输出）的大跨桥梁评估方法。该方法巧妙的基于温度荷载与结构温度反应来揭示结构的本质关系。根据这一关系，对一座大跨悬索桥进行了在线分析与评估。
作者：	夏琪
专业：	土木工程
导师：	张建
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文