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原文传递基于车载传感器的桥梁模态识别及损伤检测研究

论文题名：	基于车载传感器的桥梁模态识别及损伤检测研究
关键词：	桥梁检测;模态信息;损伤识别;车载传感器
摘要：	数量极其庞大的中小跨径桥梁承受日益剧增的交通荷载和不断加剧的材料劣化，存在显著的安全风险，推进桥梁模态信息及损伤识别对实现路网桥梁快速检测具有重大意义。本文依托车辆扫描法（VSM）为研究背景，提出了一种两轴车载传感器同步识别桥梁频率与模态振型方法，开展了不同损伤数值模拟方法的等效损伤关系并进一步利用桥梁模态信息进行损伤识别的研究，利用实验室缩尺车桥系统进行模型试验验证。主要研究内容及成果包括：　　(1) 提出了一种实用的多自由度双轴车辆扫描桥梁模态振型的方法。首先，推导了对称双轴车辆与简支梁相互作用的封闭解，并利用一种新型的双峰谱理想化滤波方法从车辆加速度响应中同步识别桥梁频率和模态振型；然后，通过数值仿真验证了所提出的桥梁频率和振型同步识别方法，并参数化分析了车速、车辆参数、阻尼、路面粗糙度和环境噪声等因素对该方法的影响。结果表明，所提出的方法可以同步识别高速行驶车辆（如20 m/s)、各种车辆参数、车辆和桥梁阻尼、以及道路粗糙度和环境噪声存在下的桥梁频率和模态振型。道路粗糙度和环境噪声污染了桥梁频率的双峰谱，但只要桥频在频谱中可见，所提出的方法是可行的。　　(2) 对梁类结构不同损伤建模技术进行了比较研究，并评估其车桥耦合(VBI)响应对结构健康监测(SHM)的影响。首先，分析了单元刚度损失、单元质量增加、裂纹梁单元和裂纹弹簧单元四种损伤建模技术的理论基础，提出以频率相同的准则简化等效关系; 然后，利用VBI单元对由双轴车辆和损伤梁式结构组成的VBI系统进行了有限元模拟，并通过模态曲率差指标验证了四种VBI损伤模拟程序的正确性。最后，比较了不同损伤建模技术在统一损伤级别下对 VBI 系统动力响应的影响，并比较了不同损伤建模技术下利用车辆和桥梁响应进行损伤识别的可能性。结果表明，在5%-30%相同损伤水平下，不同损伤建模技术产生的 VBI 系统动态响应差异显著。车辆响应相比桥梁响应而言对损伤更敏感。裂纹弹簧梁单元法对VBI响应影响最大，裂纹梁单元法与单元刚度损失法影响相当，而单元质量增加法的影响可以忽略不计。损伤识别探究中处理车辆加速度响应时，发现除单元质量增加技术以外的三种方法均可用于识别损伤位置与程度，但裂纹弹簧单元方法幅值变化不那么明显。　　(3) 对前述两部分内容进行了模型试验验证，首先进行了车桥相互作用（VBI）试验，研究从两轴模型车辆通过桥梁时的竖向加速度中提取模态振型，结果验证了通过两轴车辆的加速度，可以成功识别桥梁频率和高精度模态振型。其次进行了桥梁损伤试验，损伤以附加质量块和切割截面的形式模拟，研究从车辆加速度中利用IAS指标定位损伤位置，结果验证了一定级别下两种方式均可成功定位损伤位置。　　本研究一方面验证了两轴通行车辆用于桥梁模态振型识别的可行性，为车辆扫描法在桥梁间接监测中的广泛工程应用提供了便利。另一方面研究了通过这些不同的损伤建模技术获取直接的桥梁响应和间接车辆响应以检测桥梁损伤的可能性，对分析损伤下VBI系统振动响应的影响具有重要意义，可为采用不同损伤模型进行数值模拟，选择合适甚至开发更实用的损伤检测技术提供参考。
作者：	卢泽林
专业：	土木工程
导师：	周军勇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广州大学
学位年度：	2023