钢桁架桥梁结构损伤动态检测研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.28MB 106 页 15积分
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摘 要
随着桥梁建设事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺不断涌现，桥梁结
构的形式与功能日趋复杂，桥梁结构的使用荷载日益增大，大批既有桥梁也进入
了老化期。经长期使用，桥梁结构难免会发生各种各样的损伤。人民对现代桥梁
的质量和寿命越来越重视。于是桥梁结构的检测、监测就成为结构安全养护、正
常使用的保证之一。如何对桥梁结构进行质量检测和安全监测也已成为国内外学
术界、工程界研究的热点。
论文介绍了结构损伤检测的特征参数－模态参数的识别法。通过理论分析验
证了频率平方变化比及曲率模态变化是结构损伤的敏感参数；通过有限元仿真分
析证明其可以有效的对桁架结构进行损伤检测。通过锤击法及变时基（VTB）技
术进行桥梁结构的模态试验分析，并利用模态试验数据结果用曲率模态方法进行
结构损伤识别研究。为结构损伤的动态测试技术应用于工程实际做出了有益的尝
试。
最后，指出桥梁损伤检测今后需解决的几个问题，并对桥梁损伤检测技术的
发展前途进行展望。
关键词：钢桁架桥梁 检测技术 振动试验模态分析法 固有模态 参数
识别 损伤定位
ABSTRACT
With the rapid development of bridge construction, the structure and function of
bridge is more and more complex. The quality and life of modernistic bridge is paid
more attention to. After having been used for many years, the structure of bridge is
inevitably damaged. So detection of the damage parts of bridge structure has become
one of the assuring measures of security maintenance and normal use of structure. It has
become the hotspot of research in civil engineering.
This thesis expressed the identification methods of modal parameters for structure
damage detection. It is verified theoretically that the “change ratio of frequency’s
square” and the “change of curvature mode shape” are sensitive parameters of structure
damages. Through FEM simulation, the damage in steel truss bridge is detected
efficiently using both frequency’s square method and curvature mode method. A modal
test of bridge structure is done using a new analyzing method named Varied-Time-Base.
The curvature mode shape based on the modal test data is obtained, the damage is
detected successfully.
In the end, some problems to be pay more attention are presented, and the future of
bridge detection have been proposed
KEY WORDS: steel truss bridge, detecting skill, modal analyzing
method of vibrating experiment, inherent mode, identification of
parameter; location of damage
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 桥梁结构损伤检测概论.....................................................................................1
§1.1 桥梁结构损伤实例回顾...................................................................................1
§1.2 桥梁结构损伤检测的目的及意义...................................................................4
§1.3 桥梁结构检测方法...........................................................................................6
§1.3.1 静态检测方法................................................................................................6
§1.3.2 动态检测方法................................................................................................8
§1.3.3 桥梁结构动态检测的主要问题..................................................................10
§1.4 桥梁结构检测常规仪器.................................................................................11
§1.5 国内外桥梁结构检测研究的现状与发展.....................................................15
§1.6 本论文的主要研究内容................................................................................18
第二章 桥梁结构模态参数识别法...............................................................................19
§2.1.结构的传递函数和频响函数.........................................................................19
§2.2 结构激振方法及选择.....................................................................................24
§2.2.1 脉冲锤击激振..............................................................................................24
§2.2.2 正弦稳态激振..............................................................................................27
§2.2.3 环境随机激振..............................................................................................27
§2.2.4 激振方法的选择..........................................................................................28
§2.3 单自由度结构体系的模态参数识别.............................................................28
§2.3.1 幅值法[9,14] ................................................................................................... 28
§2.3.2 分量法..........................................................................................................30
§2.3.4 导纳圆法......................................................................................................31
§2.4 多自由度结构体系的模态参数识别.............................................................34
§2.4.1.单模态 SISO 识别法 ...................................................................................34
§2.4.2 多模态 SISO 识别法 ...................................................................................36
§2.4.3 多模态 SIMO 识别法[1,32] ........................................................................... 46
§2.5 结构模态参数的时域识别法介绍[1,32] .......................................................... 47
第三章 基于频率平方变化比的桥梁结构损伤检测...................................................50
§3.1 理论分析.........................................................................................................50
§3.2 损伤判据.........................................................................................................52
§3.3 验伤步骤.........................................................................................................53
§3.4 有限元算例[34] ................................................................................................ 54
§3.4.1 单元①损伤 50％时的算例.........................................................................54
§3.4.2 单元①损伤 5％时的算例...........................................................................63
§3.5 结论.................................................................................................................72
第四章 基于曲率模态方法的钢桁架桥梁损伤识别...................................................74
§4.1 曲率模态方法理论依据.................................................................................74
§4.2 曲率模态方法有限元算例验证.....................................................................75
§4.2.1 有限元模型及计算结果..............................................................................75
§4.2.2 数据分析......................................................................................................80
§4.3 结论.................................................................................................................85
第五章 钢桁架桥梁模态试验分析...............................................................................86
§5.1 基于变时基技术的桥梁结构模态试验.........................................................86
§5.1.1 变时基（VTB）传递函数分析方法 ..........................................................86
§5.1.2 桥梁模型结构设计与制作..........................................................................86
§5.1.3 试验方案......................................................................................................89
§5.1.4 试验结果......................................................................................................90
§5.2 利用模态试验数据的曲率模态方法损伤识别.............................................95
§5.3 结论.................................................................................................................97
第六章 结束语...............................................................................................................99
§6.1 本论文工作小结.............................................................................................99
§6.2 本论文提出的问题.........................................................................................99
§6.3 结构损伤检测技术发展前途展望...............................................................100
参考文献.......................................................................................................................101
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...........................................103
致谢...............................................................................................................................104
第一章 桥梁结构损伤检测概论
1
图1- 1
第一章 桥梁结构损伤检测概论
重大土木工程结构的可靠性对社会、经济有重大影响，正确评定结构的实际
性态，是结构可靠工作的前提[1]。
结构实际性态的评定可称之为结构检测。
在防灾减灾的研究中，重要的一环是生命线工程的防灾减灾研究，尤其是交
通线上的枢纽工程－桥梁结构的检测研究。
§1.1 桥梁结构损伤实例回顾
古今中外，有很多桥梁损伤以致突然倒塌的事故，曾给国家造成很大的损失，
给人民带来巨大的灾难。
中外闻名的塔科玛大桥的
坠毁事件就是一个很典型的例
子[2]。1940 年7月1日，美国
华盛顿州普吉特海峡的塔科玛
大桥建成并开始通行。从开始
通行的那一天起，这座桥梁就
出现垂直方向的振动，而且振
动的幅度一天天的明显增大。
但是大桥管理当局并未加以重
视，更谈不上去查找其产生的
原因采取任何预防措施。相反
由于大桥的这种异常的性状，
桥上的交通量反而大大增加。人们从几百里以外驱车前来，欣赏驾车驶过起伏摇
晃的大桥时的奇妙感觉。四个月过去了，人们似乎觉得大桥肯定不会出现问题，
对于大桥的安全感到越来约有把握。然而在 1940 年11 月7日7时左右。大桥突
然出现大幅度的波动，并且一直持续了三个多小时。桥架的各段周期性的上下起
伏，最大距离可达 0.9m。上午 10 时左右，好像有什么东西突然折断了，大桥发出
一声巨响，开始强烈的振动。一瞬间桥面的这一端高出 8.5m，另一瞬间，这一端
又比那一端低下 8.5m。上午 10 时半大桥开始断裂、分成多段。最后在 11 时10 分，
整个大桥垮坍了[3]。图 1-1 为塔科玛大桥垮坍时景象。
导致塔科玛大桥的坠毁主要因素是由于空气动力学中的“失速颤震”现象造
成了结构的共振。本世纪 40 年代以前，作为大跨度桥梁的悬索桥没有发生过事故，
从而给了人类一个错误的结论：只要主缆强度足够大，则加劲梁的梁体刚度是无
足轻重的。实际上，当桥梁跨度超过 200m 时，风荷载的影响将显著增大。
钢桁架桥梁结构损伤动态检测研究
2
共振出现在桥梁上引发事故的例子比比皆是，较早的记载是 1831 年英国曼彻
斯特附近的布劳顿吊桥就在一队士兵以整齐的步伐通过这座大桥时发生共振而倒
塌了。同样在 1906，俄国彼得堡附近的爱纪特桥有一队骑兵通过，连长为显示军
威，命令骑兵指挥训练有素的战马以雄纠纠气昂昂的姿态步调一致前进，大桥上
下颤动了几下，发出一声惊天动地巨响之后很快的就坍塌了。事后科学家检查发
现这些共振的原因是士兵和战马训练得太好，步调与桥的固有频率一致，越来越
强的振动很快把桥梁给振垮了。然而这些教训并没有使人认识到不仅仅是人的步
伐，其它因素也有可能引起桥梁的共振。塔科玛大桥以主跨 853m 居当时世界上悬
索桥的第三位，纤细的加劲梁横截面为矩形，桥宽 11.9m，而梁高仅为 1.3m，两
侧的纵向加劲梁高也只有 2.4m。它的坍塌告诉人们悬索桥更需要有足够的结构刚
度。布朗克斯－怀特斯通（Bronx-Whitestone）桥与不幸的塔科玛桥处于同一时代，
位于纽约，1939 年开通。该桥主跨为 701m，加劲梁为矩形钢箱梁，截面尺寸为
22.6m×3.3m；采用钢桥塔，塔高 107m，通航净空 46m。梁体纤细，在风力的作
用下摆动很危险。幸而在 40 年代，对该桥
梁体进行了加固并在塔顶和桥面之间增设
了一些额外的斜拉索，从而挽救了这座桥。
从那时起建造的悬索桥，大都开始采用大型
桁架式加劲梁，而某些情况下加劲梁则显得
过于笨重。重建的塔科玛新桥于 1950 年开
通，主跨同样是 853m。加劲梁为钢桁架，
截面尺寸现为 18.3m×10.1m ，通航净空
57m。桥塔高为 153m，比原塔更为坚固。
据说，塔科玛新桥的刚度是老桥的 60 倍。
近年来我国也有几座桥梁倒塌的例子。
重庆市綦江县城跨越綦江（长江支流）两岸、
连接城东城西的人行彩虹桥（形
似彩虹而名，系綦江县的形象工
程）与 1994 年11 月5日开工，
1996 年2月16 日竣工，其净空
跨度为 120m。1996 年2月彩虹
桥竣工之日，当地《綦江报》以
“长虹卧波，綦城一景”为题报
道这一“引彩虹，落人间”的盛
举，图 1－2则是彩虹桥刚建成
后的美丽景象。
仅仅过了三年，1999 年1
月4日晚 6时50 分左右，这样一座人间“彩虹”就在没有任何先兆的情况下整体
图1-3
图1- 2
摘要：

摘要随着桥梁建设事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺不断涌现，桥梁结构的形式与功能日趋复杂，桥梁结构的使用荷载日益增大，大批既有桥梁也进入了老化期。经长期使用，桥梁结构难免会发生各种各样的损伤。人民对现代桥梁的质量和寿命越来越重视。于是桥梁结构的检测、监测就成为结构安全养护、正常使用的保证之一。如何对桥梁结构进行质量检测和安全监测也已成为国内外学术界、工程界研究的热点。论文介绍了结构损伤检测的特征参数－模态参数的识别法。通过理论分析验证了频率平方变化比及曲率模态变化是结构损伤的敏感参数；通过有限元仿真分析证明其可以有效的对桁架结构进行损伤检测。通过锤击法及变时基（VTB）技术进行桥梁结构的模...

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