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原文传递混凝土桥梁结构损伤识别试验研究

论文题名：	混凝土桥梁结构损伤识别试验研究
关键词：	混凝土桥梁;结构损伤识别;健康监测;模型修正;随机子空间方法;分形维数
摘要：	结构损伤识别方法是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分，而基于结构动力响应的损伤识别方法更是目前的研究热点，本文在国家自然科学基金(51078134)资助下，对混凝土桥梁结构模型修正和基于随机子空间的结构损伤识别算法进行了研究，主要内容包括: 　　Ⅰ、模型斜拉桥模态测试及模型修正　　(1)对一座主跨12m的独塔混凝土模型斜拉桥进行了模态测试。通过多次锤击试验，获得了主梁竖向和扭转模态、主梁横桥向模态、桥塔面内和面外模态的测试结果，对实测模态结果进行了汇总，为模型修正提供依据。　　(2)对模型斜拉桥进行了静动力状态下的模型修正，并对修正后的模型进行了检验。根据模型桥∏形主梁的特点，采用ANSYS建立了空间梁板有限元模型。基于频率灵敏度分析对结构优化参数进行选择，边界条件通过弹簧单元进行模拟。将振型进行详细的分类，模态匹配只在同类型振型之间进行，实践表明，该方法能够解决复杂结构的模态匹配问题。模型修正时使用的目标函数包括动力参数和静力位移，修正后的模型不仅参与优化计算的静力位移、模态参数与实测值更加吻合，没有参与优化的更高阶频率也与实测结果更接近。最后，使用另一状态下的模态测试结果对修正后的有限元模型进行了检验。　　Ⅱ、基于随机子空间的损伤识别算法　　对基于随机子空间的多种损伤指标进行了分析评价，在此基础上，提出了一个新的损伤指标(IA)。仿真分析结果表明:模型残差损伤指标、协方差Hankel矩阵损伤指标、离散状态空间矩阵损伤指标(TA)均能有效对损伤程度进行识别，指标值与损伤程度基本呈线性关系，其中，本文提出的损伤指标IA对损伤最敏感，相同损伤程度下指标值最大。使用模型残差损伤指标时，模型的阶数取值比实际阶数稍大时效果更好，使用协方差Hankel矩阵损伤指标时，模型阶数宜比实际阶数小。　　Ⅲ、混凝土斜拉桥损伤试验研究　　(1)测试分析了预应力对混凝土结构频率的影响，桥塔和主梁的频率均随着预应力的增加而提高，张拉完桥塔预应力，塔面外一二阶频率分别提高了1.98％、2.81％。张拉完主梁预应力，主梁前四阶频率最大提高为1.69％，其主要原因可能是预应力筋张拉后，预应力使得混凝土结构的一部分微裂缝闭合，提高了截面的刚度，此外，预应力筋张拉后与混凝土结构形成一个整体，共同工作，增加了结构的刚度。　　(2)对主梁四个损伤工况的索力变化进行了测试，各工况下边跨索力均有少量增加;工况一和工况二索力变化较小，变化规律不明显;工况三和工况四损伤区域索力减小较明显，可以对损伤位置进行较好的判断。凶而，当主梁损伤程度较大时，可以通过拉索索力的变化对损伤进行定位。　　(3)对主梁和下游侧桥塔进行了损伤试验，采用基于随机子空间的损伤指标对各损伤工况进行了识别，结果表明:观测标准型损伤指标不能正确识别损伤;模型残差损伤指标的识别效果较差，对判定有无损伤存在一定难度;协方差Hankel矩阵损伤指标（IU、IUV）和离散状态空间矩阵损伤指标(IA)能够较好的识别有无损伤及损伤程度，IA指标对损伤的敏感性和损伤程度的相关性识别效果略好于IU、IUA指标。　　(4)采用模型修正的方法对主梁和桥塔的损伤程度进行了定量分析，通过假定损伤区域单元弹性模量降低来模拟损伤，最大损伤时，主梁和桥塔损伤区域单元弹性模量分别降为未损伤状态的61％、88％。　　Ⅳ、预应力混凝土箱梁足尺模型试验研究　　(1)采用条带法编制了预应力混凝土梁的非线性计算程序，并与试验结果进行了对比，结果表明该程序计算结果准确可靠，可用程序对各损伤状态的静力刚度进行计算。对实测的荷载-位移曲线，采用简化方法计算了其卸载曲线，效果良好。　　(2)使用盒计数法对小箱梁和空心板的裂缝分布进行了分析，结果表明:小箱梁和空心板的裂缝分布具有分形特征，随着损伤程度的增加，裂缝分形维数增加。损伤过程中的裂缝分形维数与频率存在明显的两折线关系，转折点即为荷载-位移曲线预应力钢筋屈服的特征点。　　(3)对损伤过程中的动静力刚度进行了分析，结果表明:未损伤状态时，静力刚度与动力刚度基本一致，各损伤状态的动力刚度下降幅度明显要小于静力刚度，动力刚度与静力刚度的损伤形式具有一致性，可以用静力刚度的模式来对动力刚度进行识别。
作者：	唐盛华
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	方志
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文