本发明属于机械结构损伤识别分析技术领域，涉及一种架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法。
背景技术：
架桥机大量应用于高铁建设中的桥梁架设施工，其作业环境恶劣，且经常转场作业，焊缝锈蚀、板材开裂等损伤现象时有发生，极易引发重大安全事故。近年架桥机安全事故频发，造成了重大的人员伤亡和财产损失。为能及早发现架桥机存在的安全隐患，架桥机的结构损伤识别问题日益引起人们关注。
结构损伤识别一直是学者研究的热点。国内外学者针对不同研究对象，展开了基于频率、振型、应变模态、柔度等诸多识别方法研究，但既有结构损伤识别方法目前还仅停留在实验室简单模型或数值模拟阶段，既有损伤识别方法应用在架桥机损伤识别存在下述限制因素：(1)结构损伤前模态和物理参数。既有损伤识别方法大都需要架桥机损伤前的模态及物理参数，在役架桥机大都经历了多次转场、改造，多次拆装和改造会影响架桥机的模态和物理参数，因此架桥机损伤前的模态和物理参数难以获取。(2)未考虑架桥机施工现场环境因素。架桥机施工现场环境复杂，架桥机施工作业时需要发电机发电提供动力，发电机会产生巨大的噪声污染，同时施工人员在架桥机上来回走动以及需要利用对讲机互相通信指挥施工，这些因素都会影响现场实测结构模态参数的精确度。(3)未结合架桥机现场作业工况。架桥机作业工况复杂，比如架桥机支腿高低不平，或由于现场施工需要，把架桥机支腿与主梁之间某个构件锁死，造成支腿与主梁的连接方式从铰接变成固接，上述作业工况会对现场实测结构的模态参数产生很大的影响。(4)损伤识别方法实际应用时损伤识别效果未知。
为了保证架桥机在施工过程中的安全，国家规定要对架桥机进行定期检测，检测中能否及早发现架桥机损伤，对以后的施工安全至关重要，目前的损伤识别方法虽然有很好的识别效果，但限于数值模拟和简单模型试验研究，均没有拓展到实际应用中，而架桥机的损伤识别更重要的是实际应用效果。基于挠度影响线的损伤识别方法是近几年研究的热点，此方法操作简单，有很好的实际应用价值，但是此法目前的研究均以结构各支承位置固定不变为前提，与架桥机逐孔移动作业、支承条件实时变化现状不符。
建立一种结合架桥机作业工况，针对架桥机逐孔架梁作业、主梁支承状态随时随机变化的特点，进行架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析的方法具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，克服现有技术损伤识别技术需要架桥机主梁损伤前模态及物理参数的缺点，以适应架桥机逐孔作业过程中架桥机主梁支承状态随时随机变化的现状，解决目前架桥机主梁结构损伤无法及时发现、易引起重大安全事故的问题。
本发明所采取的技术方案是：架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，在架桥机作业过程中获得挠度监测数据基础上进行架桥机主梁是否发生损伤、损伤位置以及损伤程度量化分析。基于架桥机作业过程中主梁支承随时变化的现状，建立主梁结构型式判断模块MI、损伤识别分析模块MⅡ和损伤量化分析模块MⅢ，主梁结构型式判断模块、损伤识别分析模块和损伤量化分析模块通信连通。
损伤识别分析模块MⅡ包括：⑴安装挠度测试系统；⑵采集挠度检测数据、⑶将各测点挠度检测数据通过matlab程序进行处理，得到挠度影响线f1(x)；⑷对挠度影响线f1(x) 通过matlab程序进行数据处理，得到挠曲率曲线f1”(x)；⑸判断是否突变；⑹判断损伤位置和损伤数量。损伤量化分析模块MⅢ包括：⑴根据架桥机结构型式建立数值仿真模型；⑵构建n个损伤工况，每个损伤工况又构建m个损伤程度；⑶依据所建立的仿真模型得到每种工况下不同损伤程度的挠度值，再计算得到其对应的挠曲率，明确个各工况下的挠曲率—损伤程度关系曲线；⑷根据挠曲率-损伤程度关系曲线经过数据处理得到架桥机主梁的挠曲率-损伤程度关系式。主梁结构型式判断模块MI包括：⑴确定单跨式架桥机还是两跨式架桥机；⑵单跨式架桥机选择主梁长度1/3和2/3两处位置为挠度测点；⑶两跨式架桥机选择两跨主梁跨中位置为挠度测点。
架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析的过程为：
分析方法的分析过程为：⑴根据架桥机结构型式确定挠度测点位置及数量，进入损伤识别分析模块MⅡ；⑵损伤识别分析模块：①采集各测点挠度检测数据进行处理，得到挠度影响线f1(x)；②对挠度影响线f1(x) 通过matlab程序进行数据处理，得到挠曲率曲线f1”(x)；③判断f1”(x)是否发生突变；④根据突变数量及突变位置来判定结构是否发生损伤，确定损伤数量及损伤位置；⑤将主梁损伤处挠曲率数值输入损伤量化分析模块MⅢ；⑶损伤量化分析模块：①利用架桥机仿真模型，建立不同损伤程度的损伤工况表和挠度率-损伤程度拟合曲线；②建立曲率曲线分段损伤工况表和挠曲率-损伤程度关系式，③求解损伤位置处的刚度折减系数ζ，得到主梁具体损伤程度；⑷评估加固架桥机主梁，返回步骤⑵。
本发明结合架桥机作业工况提出的架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，无需架桥机主梁损伤前模态及物理参数、原理简单、可靠性高、简便易行、便于检查维护的架桥机损伤识别及损伤程度量化分析方法，根据架桥机结构型式确定主梁测点位置，通过检测主梁测点挠度数值，利用损伤识别分析模块MⅡ得到的挠曲率曲线是否出现突变以及突变数量可判断结构是否出现损伤、损伤数量和损伤位置，之后利用损伤量化分析模块MⅢ可对主梁损伤位置处损伤程度进行量化分析。适用于下导梁式、一跨式、两跨连续梁式、运架一体式等各类架桥机及结构型式类似的其它种类门式起重机。
本发明架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，克服了现有技术损伤识别技术需要架桥机主梁损伤前模态及物理参数的缺点，能够适应架桥机逐孔作业时过程中架桥机主梁支承状态随时随机变化的现状，解决了目前架桥机主梁结构损伤无法及时发现、易引起重大安全事故的问题。本发明不仅适用于单点损伤，也适用于多点损伤，解决了既有结构损伤识别技术与现场应用脱节的问题。适用于架桥机及其它种类门式起重机，简便易行、经济可靠。本发明测出的损伤程度量化分析结果对架桥机及其它种类门式起重机的结构安全评估和改造加固同样具有有益效果，可为起重机械结构安全识别技术提供了新的设计理念和技术保障。
附图说明
图1架桥机主梁损伤别及损伤程度量化分析流程图；
图2挠度影响线曲线图；
图3挠曲率曲线图；
图4本发明得到的主梁结构分别发生单点损伤时的挠曲率曲线示意图（a）；
图5本单点损伤时的挠曲率曲线示意图（b）；
图6本发明得到的主梁结构分别发生两点损伤时的挠曲率曲线示意图；
图7本发明得到的主梁结构分别发生三点损伤时的挠曲率曲线示意图（a）；
图8三点损伤时的挠曲率曲线示意图（b）；
图9三点损伤时的挠曲率曲线示意图（c）；
图10三点损伤时的挠曲率曲线示意图（d）；
图11本发明得到的主梁结构挠度率-损伤程度拟合曲线示意图（a）；
图12主梁结构挠度率-损伤程度拟合曲线示意图（b）；
图13主梁结构挠度率-损伤程度拟合曲线示意图（c）；
其中：MI—建立主梁结构型式判断模块、MⅡ—损伤识别分析模块、MⅢ—损伤量化分析模块。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
本发明架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，在架桥机作业过程中获得挠度监测数据基础上进行架桥机主梁是否发生损伤、损伤位置以及损伤程度量化分析。如图1所示，基于架桥机作业过程中主梁支承随时变化的现状，建立主梁结构型式判断模块（MI）、损伤识别分析模块MⅡ和损伤量化分析模块MⅢ，主梁结构型式判断模块、损伤识别分析模块和损伤量化分析模块通信连通。主梁结构型式判断模块MI包括：⑴确定单跨式架桥机还是两跨式架桥机；⑵单跨式架桥机选择主梁长度1/3和2/3两处位置为挠度测点；⑶两跨式架桥机选择两跨主梁跨中位置为挠度测点。损伤识别分析模块MⅡ包括：⑴安装挠度测试系统；⑵采集挠度检测数据；⑶将各测点挠度检测数据通过matlab程序进行处理，得到挠度影响线f1(x)；⑷对挠度影响线f1(x) 通过matlab程序进行数据处理，得到挠曲率曲线f1”(x)；⑸判断挠曲率曲线是否有突变；⑹判断损伤位置和损伤数量。损伤量化分析模块MⅢ包括⑴根据架桥机结构型式建立数值仿真模型；⑵构建n个损伤工况，每个损伤工况又构建m个损伤程度；⑶依据所建立的仿真模型得到每种工况下不同损伤程度的挠度值，在计算得到其对应的挠曲率，明确各个工况下的挠曲率—损伤程度关系曲线；⑷根据挠曲率-损伤程度关系曲线经过数据处理得到架桥机主梁的挠曲率-损伤程度关系式。
本发明架桥机主梁损伤识别及损伤程度量化分析方法，过程为：
⑴根据架桥机结构型式确定挠度测点位置及数量，进入损伤识别分析模块MⅡ；⑵损伤识别分析模块：①采集各测点挠度检测数据进行处理，得到挠度影响线f1(x)；②对挠度影响线f1(x) 通过matlab程序进行数据处理，得到挠曲率曲线f1”(x)；③判断f1”(x)是否发生突变；④根据突变数量及突变位置来判定结构是否发生损伤，确定损伤数量及损伤位置；⑤将主梁损伤处挠曲率数值输入损伤量化分析模块MⅢ；⑶损伤量化分析模块：①利用架桥机仿真模型，建立不同损伤程度的损伤工况表和挠度率-损伤程度拟合曲线；②建立曲率曲线分段损伤工况表和挠曲率-损伤程度关系式，③求解损伤位置处的刚度折减系数ζ，得到主梁具体损伤程度；⑷评估加固架桥机主梁，返回步骤⑵。
下面以两跨连续梁式架桥机为例对本发明实现过程进行详细说明。
1）在主梁第1跨、第2跨的跨中间位置布设置挠度测点Sm1、Sm2，在挠度测点安装挠度测试仪器；测试系统的仪器为可由应变测试测试系统和位移计的组合，也可据需采取其他挠度测试采集系统
2）损伤识别分析模块MI检测并采集各测点的挠度数据，挠度数据格式如表1所示，损伤数据包括荷载位置和挠度数值，损伤识别分析模块MI采集各测点挠度检测数据进行处理经过matlab程序处理得到挠度影响线f1(x)，挠度影响线曲线如图2所示；
3）对挠度影响线f1(x) 通过matlab程序进行数据处理，得到挠曲率曲线f1”(x) ，挠曲率曲线如图3所示；
4）判断挠曲率曲线f1”(x)是否发生突变；
5）根据突变数量及突变位置来判定结构是否发生损伤，确定损伤数量及损伤位置，将主梁损伤处挠曲率数值输入损伤量化分析模块MⅢ。
损伤量化分析模块MⅢ的运行过程为：
1）利用架桥机仿真模型，根据挠曲率曲线分段情况，建立不同损伤程度的损伤工况表。
①单点损伤工况，表2为挠度测点Sm1、Sm2的架桥机主梁单点损伤工况表，图4为Sm1点损伤工况所对应的测点挠曲率曲线，图5为Sm2点损伤工况所对应的测点挠曲率曲线；由图4、图5可知，Sm1、Sm2测点位置的挠曲率曲线均出现了不同程度的突变，且突变位置均与各工况损伤区域一致，说明尽管架桥机作业时各支点高度不同，利用主梁测点挠曲率曲线可有效识别其损伤位置。
表2架桥机主梁损伤工况表
②两点损伤工况，表3架桥机主梁两点损伤工况表，图6所示为Sm1两点损伤工况所对应的测点挠曲率曲线，由图6可知，工况19、20、21所对应的Sm1测点挠曲率曲线分别在其预设损伤位置出现两处突变，说明对于存在支点高差的架桥机主梁，利用挠曲率曲线不仅可有效识别单点损伤，还可有效识别两点损伤的损伤位置。
表3两点损伤工况表
③三点损伤工况，表4为架桥机主梁三点损伤工况表，由图7～图10为Sm1三点损伤工况所对应的测点挠曲率曲线，图7工况1与工况41挠曲率曲线对比，图8为工况1与工况42挠曲率曲线对比，图9为工况1与工况43挠曲率曲线对比，图10为工况1与工况44挠曲率曲线对比。由图5～图8可知，不同损伤工况情况下，Sm1测点挠曲率曲线均出现了三处突变，突变位置与各损伤工况预设位置相同。此外，当三处损伤出现在同一跨主梁（工况42和44）或出现在不同跨主梁（工况41和43），利用挠曲率曲线均可取得理想识别效果，说明利用Sm1测点挠曲率曲线可以有效识别主梁全长范围内出现的三点、甚至是多点损伤。
表4 三点损伤工况表
2）利用架桥机仿真模型，根据挠曲率曲线分段情况，建立不同损伤程度的损伤工况表，如表5所示，针对每种工况利用刚度折减系数ζi进行刚度调整，ζi=(1-0.02i)，i取0到20的整数。
表5 不同损伤程度工况表
图11～图13给出了3个区段的挠度率-损伤程度拟合曲线，由图11～图13可知：尽管损伤区段不同，但各损伤工况的挠曲率-损伤程度拟合曲线基本呈线性关系，拟合曲线的斜率和截距取值与损伤位置相关，可分别对每个损伤区段内的各工况损伤处挠-损拟合曲线斜率、截距、损伤位置关系进行分析，分析时，可取每个区段中的任一工况为基准进行，方法如下：
①以工况n挠-损拟合关系式的斜率和截距为基础，求出该区段内各损伤工况与工况n的斜率比和截距比；②以工况n+1挠-损拟合关系式的斜率比和截距比为基础，求出各损伤工况与工况n+1的斜率比差和截距比差；③以工况n+1的斜率比差和截距比差为基础，求出各损伤工况与工况n+1的单位斜率比差、单位截距比差。
3）挠曲率-损伤程度关系式，由表6可得区段I内任意损伤位置的挠曲率-损伤程度关系式：
式中， x′为损伤位置，ζ表示刚度折减系数，y表示挠曲率。
表6 区段I斜率截距关系表
区段I斜率截距关系是以工况22（x′=5）为基础分析得来的，进一步分析可得每个区段挠-损关系的通用表达式：
式中，k1为所选用基准损伤位置斜率，k2为斜率比基准，k3为单位斜率比差均值，x′1为所选斜率比值基准的损伤位置，b1为所选用损伤点基准截距，b2为截距比值基准，b3为单位截距比差均值。
4) 同理,得到架桥机主梁的挠曲率-损伤程度关系式：
损伤识别分析模块MⅡ得到的挠曲率曲线，确定主梁结构损伤位置后，求的损伤位置对应的挠曲率值，将挠曲率值代入上式即可求得损伤位置处的刚度折减系数ζ，继而明确结构损伤处的具体损伤程度。
作为优选，其主梁各测点挠度数据可自动采集，架桥机主梁测点挠度测量周期可根据架桥机的使用周期确定，新投入使用的设备，可一个月测量一次，随着使用循环次数的增加，可逐渐缩减至半个月测量一次，甚至每天正式重载以前量测一次。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。