车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种桥梁结构损伤的识别方法，具体是指一种车辆荷载下基于位移时 程面积的结构快速损伤识别方法。
【背景技术】
[0002] 随着新材料和施工技术的飞速发展，我国在桥梁建设方面取得的成就举世瞩目， 然而该些国家生命线工程在材料老化、环境侵蚀效应、运营荷载效应、长期荷载疲劳效应、 地震、台风等因素的禪合作用下将不可避免引起结构的损伤积累和抗力衰减，从而导致其 安全性能和正常使用功能降低，甚至在未有明显征兆的情况下引发灾难性的突发事故。
[0003] 该些桥梁安全事故的持续发生，不仅造成了巨大的人员伤亡和严重的经济损失， 而且给国家生命线工程带来了恶劣的社会影响。因此，为了保障结构的正常使用功能、安全 性、耐久性和突发事故的有效预警和灾变应急控制能力，已建成的和即将建设的桥梁工程 亟需进行有效的监测并及时地诊断其损伤状况，在必要的情况下进行必要的预警W控制损 伤的发展和及时的修复。
[0004] 目前，桥梁结构损伤识别方法大体分为两种，第一，基于静态响应（位移、应变等） 的损伤识别方法；第二，基于振动的损伤识别方法。基于静态响应的损伤识别方法原理是： 在桥梁结构上施加静态车辆荷载，通过分析控制荷载下结构的应变或挽度进行损伤识别。 基于振动的损伤识别方法原理是通过对目标结构布置振动传感器，通过分析振动数据进而 提取出桥梁结构的动力特性（频率、阻尼比、模态），对比桥梁在损伤前后的动力特性进行 损伤识别，在此基础上，发展出一系列基于振动的损伤识别方法（基于自振频率的方法、基 于位移模态的方法、基于曲率模态的方法、基于柔度的方法、基于应变能的方法），该些方法 存在的缺点如下：
[0005] (1)基于静态响应的损伤识别方法需要中断桥梁交通，在实际操作中很难做到该 一点。
[0006] (2)由于桥梁的实际激励大小及形式是未知的，在提取桥梁动力特性的过程中，通 常假定环境激励（车辆、风、地脉动）满足白噪声的理想分布，但是由于实际激励的复杂性， 往往该个假定不能成立，导致动力特性参数的识别值和真实值存在误差，进而影响损伤识 别的精度。
[0007] (3)在车辆荷载激励下提取出来的动力特性往往是桥梁-车辆禪合作用下的振动 特性，并不是桥梁本身的动力特性，因此，对于承受车辆荷载比较大的桥梁（如铁路桥梁）， 基于振动的损伤识别方法精度会受到比较大的影响。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种车辆荷载下基于位移时程面积的 结构快速损伤识别方法。
[0009] 本发明采用的技术方案为；一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识 别方法，包括结构损伤有无的判断方法和结构损伤定位方法，步骤分别如下：
[0010] 一、结构损伤有无的判断方法步骤
[0011] 步骤1;在目标结构的跨中布设一个位移传感器，测试移动荷载作用下结构跨中 位移响应时程dm (t)，其中荷载总重
【主权项】
1. 一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，其特征在于：包括结 构损伤有无的判断方法和结构损伤定位方法，步骤分别如下： 一、结构损伤有无的判断方法步骤 步骤1:在目标结构的跨中布设一个位移传感器，测试移动荷载作用下结构跨中位移 响应时程(1111(〇,其中荷载总重
、速度为V; 对于桥梁结构，跨度为1，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为Pi,P2-Pi，Pn，速度为v; 移动荷载经过桥梁的整个过程中，令跨中截面m的位移响应为cUx)，其为跨中截面m随着移动荷载位置x变化所对应的位移，与之对应的跨中截面m的位移响应时程为dm(t)， 其为跨中截面m随着时间t变化所对应的位移，其中ct(x)可以表达为
式中dyi= 1?n，为移动荷载的第i个轴距第1个轴之间的距离，其中屯=0，fm(x) 为单位力作用下截面m处的位移影响线，且和结构的整体刚度EI相关，x为第1个轴距左 边支座的距离； 步骤2 :计算跨中位移响应时程面积.
把公式（1)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到
令
其为截面m的位移影响线与x轴围成的面积，只和结构的整体刚 度EI相关，是结构的本质属性，和外部荷载无关； 公式（2)进一步表示为
其中v为移动荷载的速度，、为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n个轴，刚离开结构的时刻，其中
，其为截面m的位移时程的面积，其中横坐 标为时间，纵坐标为位移； 步骤3 :把荷载总重
、速度v及位移响应时程面积
代入下面 公式⑷或公式（5)计算损伤有无判断指标S21，若损伤指标S21恒等于1，则结构没有发 生损伤；若损伤指标5 2i大于1，则结构发生损伤； 假设在结构的跨中布置一个位移传感器，由公式（3)可知，通过对比结构无损伤时和 结构有损伤时的测试结果，即可判断结构是否发生损伤；若结构没有发生损伤，则公式（4) 的比值恒等于1 ;当结构发生损伤，则公式（4)的比值将大于1，这是由于当发生损伤时，结 构的整体刚度将下降，进而跨中截面的位移影响线与X轴围成的面积将增大，利用这一特 征即可初步定性判断结构是否发生损伤；
其中^和V2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载的速度，w:和W2分别 为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载总重，Ajt)和^(〇分别为结构无损伤和有 损伤时跨中位移时程的面积和^〇〇分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移影响线 的面积； 若结构无损伤和有损伤测试时采用的车重和车速一样，则公式（4)进一步简化为
二、结构损伤定位方法步骤 步骤1 :在目标结构的关键区域准分布式布置位移传感器，测试移动荷载作用下各个 测试点的位移响应时程dj(t); 对于桥梁结构，跨度为1，梁高度为H，截面j-1，j，j+1，j+2沿桥梁长度方向的坐标分 别为Vl，Xj，Xj+1，Xj+2，假设截面j-1，j，j+1，j+2等间隔，间距为L，移动荷载经过桥梁的整 个过程中，截面j_l，j，j+1，j+2处的坚向位移响应为分别为djjx),dj(x),dj+1(x),dj+2(x)， 其为各截面随着移动荷载位移x变化所对应的位移，与之对应的截面j-1，j，j+1，j+2处 的位移响应时程为(Vi(t)，& (t)，七+1 (t)，cl# (t)，其为各截面随着时间t变化所对应的位 移，其中移动荷载的参数如下：共有11个轴，轴重分别为？1，？^? 1，？11，速度为￥; 上面的推导解决了判断结构是否发生损伤的问题，下面进行推导结构发生损伤的位 置，根据泰勒展开公式
公式（7)减去公式（6)得到j截面的转角0j(t)
同理可以得到j+1截面的转角0j+1(t)
假设结构符合欧拉梁假定，则j截面和j+1截面之间单元的底部平均应变eu+1 (t)表 达为
把公式⑶和公式（9)代入公式（10)得到
如图2所示，截面j和j+1之间单元的平均弯矩影响线表示成
根据物理方程
其中V，万，f，分别为单元平均弯矩，单元平均刚度，单元平均应变，单元平均 中和轴高度； 把公式（12)代入公式（13)，则得到截面j和j+1之间单元底部的平均应变影响线
其中为截面j和j+1之间的平均刚度； 移动荷载作用下，截面j和j+1之间单元底部的平均应变表达为
把公式（15)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到
其中为截面j和j+1之间单元底部的平均应变影响线与X轴围成的面积， 只和结构的局部刚度，相关，是结构的本质属性，和外部荷载等参数无关； 公式（16)左边进一步表示为
其中v为移动荷载的速度，、为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n 个轴，刚离开结构的时刻，]为截面j和j+1之间单元底部的平均应变时程的面 积，其中横坐标为时间，纵坐标为应变； 根据公式（14)得到
其中是与位置、距离、中和轴高度相关的函数； 把公式（11)和公式（18)代入公式（17)，得到
步骤2 :计算各个测试点的位移响应时程面积?(t)，代入公式（20)计算位移响应函数Bj(t)； 令位移响应函数
其中4⑴= ⑴力为截面j的位移时程的面积，其中横坐标为时间，纵坐标为位 ^h 移； 同理，参考点的位移响应函数表示为
) 步骤3 :根据公式（22)，计算目标位移响应函数相对参考位移函数的比值Sj; 目标位移响应函数相对参考位移响应函数比值为
当截面j和j+1之间单元发生损伤，则目标值相对参考值的比值变为
其中运7^+1为结构完好时截面j和j+i之间的平均刚度，运7^+1为结构损伤时截面j和j+i之间的平均刚度； 步骤4:根据公式（24)，计算损伤定位指标cip若％等于零，则截面j和j+l之间的 部分没有发生损伤；若％大于零，则截面j和j+1之间的部分发生损伤，且a大损伤越 严重； 结合公式（22)和公式（23)，建立损伤定位指标
当结构完好时，损伤定位指标恒定为零，当结构发生损伤时，即局部刚度降低，则损伤 定位指标将大于零，根据这一原理，即可进行结构损伤定位。
【专利摘要】本发明公开了一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，对于判断结构是否发生损伤，只需要在结构跨中布置一个位移传感器，跨中位移响应时程面积和结构的整体刚度相关。当结构没有发生损伤时，两次测试(状态1和状态2)的位移响应时程面积比值为恒定值1；当结构发生损伤时，两次测试(损伤前和损伤后)的位移响应时程面积比值将大于1。对于判断结构的损伤位置，需要在结构的关键区域准分布式布置位移传感器，可以建立基于各测点位移响应时程面积的损伤识别指标，当结构没有发生局部损伤时，该指标为恒定值0；当结构发生局部损伤时，损伤处的损伤识别指标将大于0，且损伤指标随着损伤程度的增大而增大。
【IPC分类】G01M99-00
【公开号】CN104568493
【申请号】CN201510040708
【发明人】洪万, 胡夏闽, 江雨辰, 曹阳
【申请人】南京工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月27日