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
第一章 桥梁结构损伤检测概论
3
坍塌没人水中不见了，图 1-3 就是彩虹桥倒塌后的湖面景象。彩虹桥的倒塌造成了
巨大的经济损失和严重的人员伤亡。经事故调查组调查，彩虹桥垮塌，４０人殒
命的惨剧不是天灾，而是人祸。彩虹桥突然垮塌是由两方面的原因造成的。一是
工程质量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个
别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；
连接桥梁、桥面和拱架的拉索、锚具和镏片严重锈蚀。二是工程承发包不合法：
到８日止，事故调查组找不到工程设计专用章，设计手续不全，实际上是私人设
计。施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组织的施工队伍不具备进行市政
工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工资质。
就工程质量问题，早在出事的三年前就有人发出过警告。有一位老焊工周耀琪
老人在施工现场就发现拱架钢管焊接有两个问题：一是焊口问题，二是结构问题。
这两个问题是先后发现的。首先是焊口问题：他发现钢管与钢管连接时两钢管的
横切面完全抵拢，这样就使钢管之间的焊接面减少到最低限度，只在表层焊接，
而且没有加强块，见图 1-4。其次是结构问题，在焊接桥梁的主要受力拱架钢管时，
钢管与钢管的连接存在严重的结构问题，叫“接口问题”。他发现在焊接桥梁的
主要受力拱架钢管时，钢管接口与钢管之间的钢
板接口没有错开，而是对齐的，见图 1-5。
调查表明，管理人员不负责任也造成惨剧的
重要因素。1996 年端午节，即彩虹桥竣工不到半
年，彩虹桥曾发出“嘎”的一声炸响，有人发现
靠东城区一边的三根拉杆（连接拱架与桥面的拉
索）底部焊接处完全裂开了，而且西面的两截钢
管焊接处也出现了裂痕，桥面、拱架钢管部分有
裂缝。但这种情况并没有能够引起当地管理部门
的足够重视，因而也没有采取任何补救措施。据
了解，１９９８年１２月２８日，綦江县建委某
负责同志曾经向县委或县政府呈送过一份关于暂停使用彩虹桥的报告，有关领导
对该报告未予理睬。７天后，彩虹桥整体垮塌最终造成了彩虹桥整体垮塌的人间
惨剧。应该说这出惨剧是完全可以避免的，且不说建设时的种种事项，仅就建成
图1- 5
钢桁架桥梁结构损伤动态检测研究
4
后出现的种种症状如能引起管理部门充分重视，组织桥梁检测人员对桥梁作一下
关于安全通行能力的检测评估，在此基础上再对发现的问题进行维修与加固，那
么造成损失则会小得很多了。
2000 年8月27 日，发生在台湾省内连接高雄与屏东的重要通道上的高屏大桥
突然拦腰断裂是我国发生的又一例倒桥事件，造成了交通中断，16 辆汽车坠入河
中，22 人受伤。图 1-6 是高屏桥倒塌后的现场照片。
据悉高屏大桥已通车 22 年，桥身是否发生病变或老化、结构是否具有损伤，
并没有这类的资料。这就足以说明人们对桥梁使用过程中的健康状况缺少关注。
尽管事发的前几天就有民众发现大桥出现问题，但也没有引起当局重视，结果酿
成大祸。事故调查结果显示，高屏大桥的桥基早已裸露，台风造成河水暴涨，桥
基被冲垮，导致大桥下陷断裂。
近几年国内发生的影响比较大的工程事故还有：2001 年11 月6日晨 4时30
分左右，宜宾南门大桥突然发生
悬索及桥面部分断裂事故，造成
两死两伤。2002 年7月9日下午
陕西灞河铁路桥垮塌，造成直接
及间接经济损失超亿元。
古今中外多起桥梁结构事故
的出现，足以给人们敲响了警钟。
随着桥梁建设的不断发展，桥梁
结构的形式与功能日趋复杂，工
程的规模也越来越大，使得人们
对现代桥梁的质量和寿命也逐渐
关心起来。如何对桥梁结构进行质量检测和安全监测已成为国内外学术界、工程
界研究的热点。目前桥梁检测技术的发展和运用已达到了一定的水平，所以现在
应该是已经有条件来避免再次发生这样的悲剧了。
§1.2 桥梁结构损伤检测的目的及意义
传统的工程结构可靠性是通过合理的设计、正确的施工来保障的，其前提是
结构建成后的实际性态与设计的预定性态一致[1]。然而，要保障这一点是非常困难
的，因为影响工程结构的因素很多，其中主要有：
⑴由于认识水平的限制，结构设计时一些影响工程性态的因素尚未完全清楚，
如土—结构相互作用。
⑵由于工程结构体系复杂，目前的结构计算尚无法准确加以考虑，既计算模
型或参数不准确。
⑶由于设计错误，造成实际结构与设计预想的偏差。
图1-6
第一章 桥梁结构损伤检测概论
5
⑷由于施工误差或错误，造成实际结构与设计不符。
另一方面，工程结构的实际性态，还将随结构的使用而改变，导致这种变化
的因素有：
⑴受灾损伤。地震、强风、火灾等均会使工程结构遭到一定程度的损坏，从
而造成结构物的原有结构性态发生改变。
⑵老化。老化将造成结构强度降低、刚度退化，这也可认为使结构的一种损
伤。
如何评价灾后受损结构和老化受损结构的残存能力和可靠性，以便对结构能
否继续使用和是否需要加固做出正确的决策，使当今结构工程研究的新课题。显
然，解决这一问题的前提是对受损结构的实际性态做出正确判断。工程结构检测
的主要目的之一，就是确定和估计工程结构的实际性态，进而保证结构的可靠性。
尤其近几十年来，随着交通事业的飞速发展，新结构、新材料、新工艺的不
断推广应用，各种大、中型桥梁不断涌现，原有的规范、规程往往不能适应工程
实践的要求。这些新型、复杂的桥梁在设计、施工中会遇到一些新问题，其设计
计算理论或设计参数需要通过桥梁检测试验予以验证或确定[4]。
通过系统的桥梁检测试验，可以掌握这些结构在荷载作用下的实际受力状态，
探索结构受力行为的一般规律，为充实和发展桥梁结构的设计计算理论积累科学
的资料，逐步建立或完善这类桥梁的设计理论与计算方法。
对于重要的桥梁结构在竣工后，需要通过桥梁结构检测考察该桥的施工质量
与结构性能，评定桥梁结构的实际承载能力，为竣工验收、投入运营提供科学的
依据。
对于我国目前已建成了数万座各种型式的桥梁，经过长期使用，因受水害、
地震等自然灾害而损伤，或因设计施工不当而产生严重缺陷，或因荷载大幅度增
长而严重超过设计荷载等级。通常通过桥梁检测来评估既有桥梁的使用性能、承
载能力及残余寿命，为桥梁养护、加固、改建或限载等对策提供科学的依据。这
对于缺乏完整原始设计施工资料的既有桥梁更为必要。如何评价灾后受损结构和
老化受损结构的残存能力和可靠性，以便对结构能否继续使用和是否需要加固做
出正确的决策，是当今结构工程研究的新课题。显然，解决这一问题的前提是对
受损结构的实际性态做出正确判断。工程结构检测的主要目的之一，就是确定和
估计工程结构的实际性态，进而保证结构的可靠性[2]。
在科学技术的发展过程中，科学试验起着非常重要的作用。从土木工程结构
设计计算理论的演变历史来看，每一种理论体系的建立和发展，一般都是和大量
的科学试验、生产实践密切联系。试验研究对于推动和发展结构设计计算理论、
解决生产实践中出现的疑难问题往往起到了重要的作用。在桥梁工程的发展中，
桥梁结构检测试验也起到了同样重要的作用。一方面，桥梁结构检测的成果验证、
发展和完善了桥梁设计计算理论、施工技术及其他实践问题；另一方面，桥梁检
测也为既有桥梁结构使用性能和残余寿命的评估提供了科学的依据，可以说，随
钢桁架桥梁结构损伤动态检测研究
6
着生产实践的发展，桥梁检测日益显得重要，同时，桥梁建设的不断发展也对桥
梁检测提出了更高的要求
§1.3 桥梁结构检测方法
桥梁检验是对桥梁结构物进行包括桥梁检查和必要的理论验算以及结构试验
等内容的一系列工作，并据此对桥梁结构物进行综合分析，做出符合实际的技术
结论[5]。桥梁结构检测试验是桥梁结构专业的一门基础技术科学，它是对桥梁的结
构物进行直接测试的一项科学试验工作。其主要任务是通过有计划的对结构物加
载后的性能进行观测和对测量参数（如位移、应力、振幅、频率……等）进行分
析，以便了解桥梁实际工作状态，对结构物的工作性能作出评价以及对桥梁结构
的承载能力和使用条件作出正确估计，并为发展桥梁结构的计算、评定理论提供
可靠依据[2]。
进行结构试验，必须首先掌握结构组成材料的力学性能，只有这样才能正确
评估和判断试验结构的实际工作状况和承载能力。测定材性的方法有直接法和间
接法两种。直接测定法是结构试验中最常用的方法，它把材料按有关规定做成标
准试件，然后在试验机上用标准试验方法进行测定，这就是所谓的“试件试验”。
间接测定法分为破损试验和半破损试验法以及两者综合使用。间接测定法是利用
有关仪器测定与材料力学有关的参数，如硬度、密度等，间接判断材料的力学性
能。钢筋力学性能测定的项目有屈服强度（包括η0.2）、抗拉极限强度、伸长率和
弹性模量等。混凝土力学性能测定的项目有轴心抗压强度、静力受压弹性模量、
静力受压泊松比和辟裂抗拉强度等[6]。
桥梁结构检测方法总体上可以分为两类，即静态检测方法和动态检测方法。
§1.3.1 静态检测方法
桥梁结构试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种检测手段，而静
态试验就是其中一种主要的测试方法。桥梁结构的静态试验是将静止的荷载作用
在桥梁上的指定位置而测试结构的静应变、静位移以及其它试验项目，从而推断
桥梁结构在荷载作用下的工作状态和使用能力。对于桥梁结构来说，静载往往是
指以缓慢速度行驶到桥上的指定荷重级别的车辆荷载。当试验现场受限制时，有
时也可施加荷重（如堆置铸铁块、水泥、预制板件、水箱等）或以液压千斤顶装
置施力等方式来模拟某一等级的车辆荷载，藉以达到试验的目的。由于静态试验
测试的项目多，可以布置较多的测点，因此可以根据所得到测试数据，较为全面
的分析结构的受力情况[2]。
桥梁结构包括上部结构和下部结构两部分。上部结构的形式有梁桥、拱桥、
钢构桥、斜拉桥、悬索桥等各种体系，下部结构包括桥墩、桥台、基础三部分，
按照技术上可行、经济上合理的原则，它们之间可以组合成各式各样的桥梁结构
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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