一种铁路桥梁下部结构健康状态定量评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于桥梁工程养护工程领域，涉及一种桥梁下部结构特别是桥墩的健康状 态定量分析和评价方法。
【背景技术】
[0002] 对于铁路桥梁下部结构的健康状态评价，《铁路桥梁检定规范》中规定的基本方法 是测量桥墩在运行列车荷载作用下的横向振幅，即检定振幅，并判断振幅是否在容许范围 内。如果振幅超过规定的限值，则认为桥墩的技术状态存在问题，这属于一种定性评价方 法。既有研宄表明，桥梁下部结构在列车激励下的振幅随列车的速度、种类、轴重以及轨道 的不平顺状态的不同而变化，所以充分考虑所有因素并进行修正是非常困难的事情。直接 采用测量值则偏差较大，甚至出现了桥墩加固后振幅比加固前还大的结果，因而不能用振 幅对加固效果进行准确评价，也不能用该指标对桥墩进行高精度的健康状态评价。
[0003] 自振频率是下部结构的固有特性，能够直接反映下部结构的技术状态，但是在实 际应用中使用《铁路桥梁检定规范》规定的环境振动法和余振法不易准确识别自振频率。冲 击振动试验法是近年来发展起来的一种测试桥梁下部结构模态参数的新方法，其基本原理 是用重锤横桥向或者顺桥向冲击桥墩，测试其速度或者加速度动力响应，通过响应频域幅 值谱和相位谱来综合确定其自振频率，然后利用健全度指数来判断是否存在病害。
[0004] 虽然冲击振动试验法解决了桥梁下部结构的自振频率识别问题，但是通过该方法 只能判断结构是否存在病害，并不能判断下部结构的各个组成部分是否健康，如果存在病 害也不能判别病害的类型、位置及病害程度。
[0005] 针对现有技术存在的上述不足，提出本发明。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在解决的技术问题是现有桥梁下部结构的评估只能利用振幅和频率指 标评判桥墩整体性能是否满足运营要求，而不能准确分析下部结构各个组成部分的技术状 态，更不能判断病害的类型和位置。鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一 种可以准确识别桥梁下部结构支座、墩身和基础的结构参数，从而对桥墩各组成部分的工 作状态进行评价或确定病害类型、位置和病害程度的方法。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种铁路桥梁下部结构健康状 态定量评价方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1)桥墩冲击振动试验
[0009] 自桥墩墩顶至地面，沿墩身高度布置多个横向传感器，用力锤横桥向冲击桥墩，测 量桥墩的横桥向动力响应；然后将传感器转到顺桥向布置，用力锤纵向冲击桥墩，测量桥墩 的顺桥向动力响应；
[0010] 步骤2)建立桥墩系统简化分析模型
[0011] 忽略梁和轨道对桥墩的约束，将梁结构和恒载质量之和的总质量M作为集中质量 加在墩顶，建立起顶部具有集中质量的悬臂梁模型，用集中质量法把桥墩离散成多自由度 模型：各单元用没有质量的梁单元来模拟，其质量平均分配给各节点，墩身的横桥向刚度系 数EIx或顺桥向刚度系数EIy等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I,或Iy的乘积；桥 墩基础底部约束用横桥向水平弹簧Khx或顺桥向水平弹簧Khy、垂直弹簧心和横桥向扭转弹 簧Kra或顺桥向扭转弹簧Ly来模拟，简化分析模型用来模拟实际的粧基础和扩大基础桥墩， 桥墩的初始设计参数为￡ (|1!￡或EJy、IvKhxtl或Khy(l、Kvtl和Kn(l或K
[0012] 步骤3)桥墩模态识别
[0013] 包括桥墩横桥向振动模态识别和桥墩顺桥向振动模态识别，具体为将测得的桥墩 横桥向和顺桥向动力响应采用时间域随机子空间方法进行分析，识别桥墩的横桥向整体摆 动模态、横桥向局部振动模态和顺桥向局部振动模态，各模态以频率freqei，振型表 示，i= 1，2, 3 ;
[0014] 步骤4)桥墩有限元模型修正及健康状态评价
[0015] 将桥墩的实测的模态频率freqei，振型[<i>ei]为目标值，计算桥墩的理论频率 freqxi和振型[巾xi]，建立目标函数：
【主权项】
1. 一种铁路桥梁下部结构健康状态定量评价方法，其特征在于，包 括以下步骤： 步骤1)桥墩冲击振动试验 自桥墩墩顶至地面，沿墩身高度布置多个横向传感器，用力锤横桥向冲击桥墩，测量桥 墩的横桥向动力响应；然后将传感器转到顺桥向布置，用力锤纵向冲击桥墩，测量桥墩的顺 桥向动力响应； 步骤2)建立桥墩系统简化分析模型 忽略梁和轨道对桥墩的约束，将梁结构和恒载质量之和的总质量M作为集中质量加在 墩顶，建立起顶部具有集中质量的悬臂梁模型，用集中质量法把桥墩离散成多自由度模型： 各单元用没有质量的梁单元来模拟，其质量平均分配给各节点，墩身的横桥向刚度系数EI x 或顺桥向刚度系数EIy等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I !￡或17的乘积；桥墩基础 底部约束用横桥向水平弹簧Khx或顺桥向水平弹簧K hy、垂直弹簧Kv和横桥向扭转弹簧K M或 顺桥向扭转弹簧来模拟，简化分析模型用来模拟实际的粧基础和扩大基础桥墩，桥墩的 初始设计参数为E山或E 土、Iv 1(_或K hy(l、KjP K _或K 步骤3)桥墩模态识别 包括桥墩横桥向振动模态识别和桥墩顺桥向振动模态识别，具体为将测得的桥墩横桥 向和顺桥向动力响应采用时间域随机子空间方法进行分析，识别桥墩的横桥向整体摆动模 态、横桥向局部振动模态和顺桥向局部振动模态，各模态以频率freq ei，振型[Φ」表示，i =1，2,3 ; 步骤4)桥墩有限元模型修正及健康状态评价 将桥墩的实测的模态频率freqei，振型[Φ ei]为目标值，计算桥墩的理论频率freqxJP 振型[Φχ?]，建立目标函数：
其中：ωΗ和ω μ分别为频率和振型的权重，
采用约束优化算法对建立的简化分析模型进行修正，使公式（1)表示的残差满足设定 的收敛准则（2)和（3): Fn(EI，k，Kh，Kv，Kr) < ξ (2) Fn+1_Fn|/Fn< ε&η>Ν (3) 式中：η为迭代次数，ε (% )为容许误差，ξ为容许残差，N为限定最大迭代次数； 经过优化可得到桥墩系统实际的物理参数E1IX或E K hyl、Kvl和K 或K 用弹性模量变化来模拟桥墩损伤，定义桥墩的健康状态指数：θ 1= Ει/Ε(1; Θ 2= Ic1ZXl; G 3 K rxi/Krx〇 ; Θ I (i = 1，2, 3)表明桥墩技术状态满足设计要求； Θ'I (i = 1，2, 3)，则表明相应部件不满足设计要求，并且可确定相应的损伤程度。
2.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁下部结构健康状态定量评价方法，其特征在 于，所述的动力响应为速度响应或加速度响应。
【专利摘要】本发明公开了一种铁路桥梁下部结构健康状态的定量评价方法，采用重锤为激励源，横桥向和顺桥向冲击桥梁下部结构，测得其整体和局部振动模态。建立桥梁下部结构动力分析模型，以支座刚度、墩身刚度和基础约束等结构参数为未知量，以实测模态为目标，采用优化算法对有限元模型进行修正，识别下部结构实际支座刚度参数、墩身刚度参数和基础约束刚度参数，然后将识别值和设计值进行对比来定量评价桥梁下部结构的健康状态。
【IPC分类】G01M7-08
【公开号】CN104655385
【申请号】CN201410851313
【发明人】战家旺, 张楠, 夏禾, 胡所亭, 蔡超勋
【申请人】中国铁路总公司, 北京交通大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月31日