CN107238479A - 一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法包括：以正常通行车辆为激励，对装配式梁桥进行车激响应测试；对桥梁横向连接病害进行快速定位；建立车辆、桥梁简化模型；对装配式梁桥模型进行修正，根据模型修正的结果得到桥梁的主梁、横向连接和支座的损伤程度，进而建立桥梁整体服役安全状态评估标准。本发明的不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法操作简单，不需要中断交通，不仅可初步快速判断桥梁横向连接是否健康，更可以利用模型修正优化算法进一步实现对桥梁主梁、横向连接和支座的定量评价，判断出病害类型、病害位置和病害程度，从而实现对装配式梁桥服役安全状态的评估。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程养护工程领域，具体地说，涉及一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法。
背景技术
装配式梁桥在公路桥梁中占有很大的比重，因此，其服役安全状态评估对公路交通的安全非常重要。目前，公路装配式梁桥健康检测的主要依据有：《公路桥梁承载能力检测评定规程》、《公路桥涵养护规范》和《公路桥梁技术状况评定准则》。《公路桥梁承载能力检测评定规程》针对静力荷载试验以及材质状况与状态参数，例如混凝土强度、钢筋锈蚀、桥梁碳化状况以及混凝土保护层厚度等均做出了较明确的评定准则。但上述材质状况与状态参数仅能作为主梁的损伤判定依据，对于由多片主梁组成的公路桥梁来说，支座与横向连接的损伤识别同样至关重要。而静力荷载试验主要通过判定主梁的应力、应变或挠度是否满足设计要求来识别损伤，横向连接状态则通过横向分布系数进行判定，但由于铰接缝或横隔板里的横向钢筋的作用可能致使横向分布系数变化较小，从而造成横向连接损伤判定失误。同时静载试验需封锁交通，不适用于车流量较大的公路桥梁。
近些年，动载试验在桥梁损伤识别领域受到越来越广泛的关注，其主要通过自振频率、振型、振幅等指标从宏观角度对桥梁结构性能进行评判，《公路桥梁承载能力检测评定规程》中对自振频率做了详细的规定。但上述动力指标仅能定性评价桥梁的整体情况，而无法判定病害的类型、位置及损伤程度，无法做到对桥梁的局部损伤进行精确识别。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法，以在不中断交通的情况下对装配式梁桥损伤进行快速定位与定量评价。
为解决上述技术问题，本发明公开了一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法。所述方法包括：
以正常通行车辆为激励，在装配式梁桥上安装振动传感器，采集过车时的振动响应信号；
对采集得到的振动响应信号进行傅里叶变换，得到振动响应频谱，根据振动响应频谱得到该桥梁的实际自振频率f，并根据自振频率选择频率段，建立响应频谱相关性指标，根据相邻梁之间的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS来评估相邻梁的横向连接状态；所述响应频谱相关性指标为：
式中：和分别为横桥向相邻测点i和i+1(i＝1,2,…,mm-1)处的动力响应频谱，mm为测点数，n为采用的频率点数；
将车辆简化为由弹簧、质量、阻尼组成的模型，车体共三个自由度，竖向沉浮Zs、纵向摆动θs和横向摆动αs，车轮含有一个竖向平动自由度Zti，建立车辆运动方程：
式中：[Mv]为车辆模型的质量矩阵，[Cv]为车辆模型的阻尼矩阵，[Kv]为车辆模型的刚度矩阵，{Zv}为车辆模型的位移向量，{Pv}为作用于车辆上的相互作用力；
将桥梁模型使用有限元软件进行模拟，以梁格法进行简化：主梁刚度EI等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I的乘积；铰接缝与湿接缝简化为没有质量的横向梁单元，即采用虚拟横梁法进行模拟，横隔板则使用普通梁单元进行模拟，横向连接刚度为EhIx；将支座6个自由度简化为横桥向水平弹簧Khx、顺桥向水平弹簧Khy、垂直弹簧Kv以及绕各个方向的扭转弹簧Krx、Kry、Krz，主梁、横向连接和支座的初始刚度设计参数为E0I、Eh0Ix以及Khx0、Khy0、Kv0、Krx0、Kry0和Krz0；提取质量矩阵和刚度矩阵，通过Rayleigh阻尼法得到阻尼矩阵，建立桥梁模型的动力平衡方程:
式中：[Mb]为桥梁模型的质量矩阵；[Cb]为桥梁模型的阻尼矩阵；[Kb]为桥梁模型的刚度矩阵；{Zb}为桥梁模型的位移向量；{Pb}为作用于桥梁上的相互作用力；
对桥梁模型进行修正，将主梁弹性模量E、横向连接弹性模量Eh和支座竖向刚度Kv作为待修正参数对主梁平均整体损伤、横向连接损伤和支座损伤进行修正；
将试验得到的差异性指数DISSe向量和自振频率fe作为目标值，根据车辆和桥梁理论简化模型得到的差异性指数DISSt向量和自振频率ft，建立目标函数：
式中：λ为各参数残差的权重系数；j为自振频率的阶数；DISSe＝{DISSe(1,2),···DISSe(i,i+1),···}，DISSt＝{DISSt(1,2),···DISSt(i,i+1),···}；i和i+1为横桥向相邻两测点。
采用约束优化算法对建立的简化模型进行修正，使目标函数公式表示的残差满足设定的收敛准则：
Fn(E,Eh,Kv)≤ξ&|Fn+1-Fn|/Fn≤ε&n＞N
式中：n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；
根据模型修正的结果得到桥梁主梁损伤指数θ1、第l个横向连接的损伤指数θhl和第m个支座的损伤指数θvm，建立桥梁整体服役安全状态评估标准。其中，θ1＝1-E1/E0，θhl＝1-Ehl/Eh0，θvm＝1-Kvm/Kv0。l＝1,2,…,qq，qq为横向连接的个数；m＝1,2,…,nn，nn为支座的个数。
如上所述的方法，优选的，将所述振动传感器安装在桥梁的跨中位置。
如上所述的方法，其中，所述根据相邻梁的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS确定相邻梁的横向连接状态，具体为：
若DISS<0.05，则确定相邻梁的横向连接状态良好；
若0.05≤DISS≤0.1，则需进一步判断相邻梁的横向连接为虚假损伤或者为真实损伤；
若DISS>0.1，则确定相邻梁的横向连接出现损伤。
如上所述的方法，其中，若θ1<0.1、θhl<0.5、θvm<0.5，将等级设置为1级，桥梁整体健康状态良好；
若0.1≤θ1≤0.3、0.5≤θhl≤0.9、0.5≤θvm≤0.9，将等级设置为2级，桥梁出现较小损伤；
若θ1>0.3、θhl>0.9、θvm>0.9，将等级设置为3级，桥梁出现较大损伤。
与现有技术相比，本发明可以获得以下技术效果：
1、操作简单，不需要中断交通；
2、不仅可初步快速判断桥梁横向连接是否健康，更可以利用模型修正优化算法进一步实现对桥梁主梁、横向连接和支座的定量评价；
3、可判断出桥梁病害类型、病害位置和病害程度，从而实现对装配式梁桥服役安全状态的评估。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法的流程图；
图2为传感器布置示意图；
图3为横向连接快速定位识别示意图；
图4a为示意性的车辆简化侧视图；
图4b为示意性的车辆简化正视图；
图5为示意性的车辆过桥图；
图6为示意性的损伤定量识别结果图；
图7为示意性的损伤定量识别迭代图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
针对现有的桥梁服役安全状态评估方法需中断交通，且无法对病害类型、位置以及损伤程度进行判定的问题，本发明给出一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法，旨在不中断交通的情况下对装配式梁桥损伤进行快速定位与定量评价。
图1是本发明实施例的不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法的流程图。如图1示，本实施例的不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法包括以下内容。
S101：对装配式梁桥进行车激响应测试。
具体的，以正常通行车辆为激励，在装配式梁桥上安装振动传感器，采集过车时的振动响应信号。优选的，将所述振动传感器安装在桥梁的跨中位置。在装配式板梁桥或小箱梁桥的跨中主梁位置(跨中位置现场条件不允许时，可布置在其他位置)或T梁桥横隔板所在位置的主梁上沿垂直于线路的方向布置振动传感器。图2为传感器布置示意图。如图2所示，将传感器布置在主梁下缘，安置传感器时，需要事先在安装传感器的位置粘贴角钢或钢片，然后将传感器固定在角钢或钢片上。采集过车时候的振动响应信号，同时进行录像采集，记录车辆过桥的位置、过桥所用时间，以及车辆型号。
S102：对桥梁横向连接病害进行快速定位。
图3为横向连接快速定位识别示意图。参照图3所示，在选择数据进行分析时，尽量选取单辆车过桥时的响应数据，此时经过傅里叶变换得到桥梁振动响应频谱相较于多辆随机车流更为清晰干净。具体的，对采集得到的振动响应信号进行傅里叶变换，得到振动响应频谱，并根据振动响应频谱得到该桥梁的实际自振频率f，并根据自振频率选择频率段，建立响应频谱相关性指标，根据相邻梁之间的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS来评估相邻梁的横向连接状态，若两片相邻梁的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS出现突变，则说明该两片梁的横向连接出现破损，反之则说明该两片梁连接状况良好。所述响应频谱相关性指标为：
式中：和分别为横桥向相邻测点i和i+1(i＝1,2,…,mm-1)处的动力响应频谱，mm为测点数，n为采用的频率点数。所述根据相邻梁的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS确定相邻梁的横向连接状态，具体为：
若DISS<0.05，则确定相邻梁的横向连接状态良好；
若0.05≤DISS≤0.1，则需进一步判断确定相邻梁的横向连接为虚假损伤或者为真实损伤；
若DISS>0.1，则确定相邻梁的横向连接出现损伤。
以装配式板梁桥为例，假设每一条铰接缝为一待识别变量，选择单辆车过桥时的数据进行频域变换，根据响应频谱相关性指标SISS公式和相邻梁的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS得到每个铰接缝的DISS值，识别结果示意图如图3所示。再根据上述经验标准判断铰接缝是否出现损伤，由图3可以看出，5、6号铰接缝DISS值超过0.1，其余铰接缝DISS值小于0.05，说明5、6号铰接缝出现损伤，其余铰接缝情况良好。若在进行识别时有DISS值处于0.05～0.1之间时，则需再根据S104的模型修正方法进一步判定。
S103：建立车辆、桥梁简化模型。
具体的，将车辆简化为由弹簧、质量、阻尼组成的模型。图4a为示意性的车辆简化侧视图，图4b为示意性的车辆简化正视图。参照图4a、图4b所示，车体共三个自由度，竖向沉浮Zs、纵向摆动θs和横向摆动αs，车轮含有一个竖向平动自由度Zti，建立车辆运动方程：
式中：[Mv]为车辆模型的质量矩阵，[Cv]为车辆模型的阻尼矩阵，[Kv]为车辆模型的刚度矩阵，{Zv}为车辆模型的位移向量，{Pv}为作用于车辆上的相互作用力；
将桥梁模型使用有限元软件进行模拟，以梁格法进行简化：主梁刚度EI等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I的乘积；铰接缝与湿接缝简化为没有质量的横向梁单元，即采用虚拟横梁法进行模拟，横隔板则使用普通梁单元进行模拟，横向连接刚度为EhIx；将支座6个自由度简化为横桥向水平弹簧Khx、顺桥向水平弹簧Khy、垂直弹簧Kv以及绕各个方向的扭转弹簧Krx、Kry、Krz，主梁、横向连接和支座的初始刚度设计参数为E0I、Eh0Ix以及Khx0、Khy0、Kv0、Krx0、Kry0和Krz0；提取质量矩阵和刚度矩阵，通过Rayleigh阻尼法得到阻尼矩阵，建立桥梁模型的动力平衡方程:
式中：[Mb]为桥梁模型的质量矩阵；[Cb]为桥梁模型的阻尼矩阵；[Kb]为桥梁模型的刚度矩阵；{Zb}为桥梁模型的位移向量；{Pb}为作用于桥梁上的相互作用力。
图5为示意性的车辆过桥图。使用位移耦合条件和相互作用力耦合条件将车辆简化模型与桥梁简化模型联系起来，从理论上模拟车辆行驶过桥，如图5所示。
S104：对装配式梁桥模型进行修正，根据模型修正的结果得到桥梁的主梁、横向连接和支座的损伤程度。
对桥梁模型进行修正，具体的，将主梁弹性模量E、横向连接弹性模量Eh和支座竖向刚度Kv作为待修正参数对主梁平均整体损伤、横向连接损伤和支座损伤进行修正。
将试验得到的差异性指数DISSe向量和自振频率fe作为目标值，根据车辆和桥梁理论简化模型得到的差异性指数DISSt向量和自振频率ft，建立目标函数：
式中：λ为各参数残差的权重系数；j为自振频率的阶数；DISSe＝{DISSe(1,2),···DISSe(i,i+1),···}，DISSt＝{DISSt(1,2),···DISSt(i,i+1),···}；i和i+1为横桥向相邻两测点。
采用约束优化算法对建立的简化模型进行修正，使目标函数公式表示的残差满足设定的收敛准则：
Fn(E,Eh,Kv)≤ξ&|Fn+1-Fn|/Fn≤ε&n＞N
式中：n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。
根据模型修正的结果得到桥梁主梁损伤指数θ1、第l个横向连接的损伤指数θhl和第m个支座的损伤指数θvm，建立桥梁整体服役安全状态评估标准，其中，θ1＝1-E1/E0，θhl＝1-Ehl/Eh0，θvm＝1-Kvm/Kv0；l＝1,2,…,qq，qq为横向连接的个数；m＝1,2,…,nn，nn为支座的个数。
S105：根据桥梁的主梁、横向连接和支座的损伤指数，建立桥梁整体服役安全状态评估标准。
所述建立桥梁整体服役安全状态评估标准，具体为：
若θ1<0.1、θhl<0.5、θvm<0.5，将等级设置为1级，桥梁整体健康状态良好；
若0.1≤θ1≤0.3、0.5≤θhl≤0.9、0.5≤θvm≤0.9，将等级设置为2级，桥梁出现较小损伤；
若θ1>0.3、θhl>0.9、θvm>0.9，将等级设置为3级，桥梁出现较大损伤。
图6为示意性的损伤定量识别结果图，图7为示意性的损伤定量识别迭代图。以一座由5片主梁组成的装配式板梁桥为例，桥梁的初始参数为E0I，Eh0Ix，Kv0，假定主梁刚度下降0.1，其中2号铰接缝刚度下降0.5，第二片梁其中一个支座竖向刚度下降0.9，以此假定损伤状态下的桥梁的频谱差异性指数和自振频率为目标值，对桥梁有限元模型进行优化，其中车辆的类型与行车位置实际与理论需保持一致。识别出的损伤指数分别为θ1＝0.1、θh2＝0.5和θv2＝0.9，其余值均接近于0，得到的损伤定量识别结果图如图6所示，其中，1号为主梁；2～5为铰接缝；6～15为支座。损伤定量识别迭代图如图7所示。由图可以看出识别结果与设定值一致，且收敛结果很快。最后再根据上述的评估标准对各部件的整体服役安全状态进行评估。
结果分析表明使用本发明所提供的方法可快速准确地识别装配式梁桥中各部件的状态指数，因而可准确判别病害类型、病害位置和病害程度，从而实现对桥梁服役安全状态的定量评价。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种不中断交通的装配式梁桥服役安全状态快速评估方法，其特征在于，包括：
以正常通行车辆为激励，在装配式梁桥上安装振动传感器，采集过车时的振动响应信号；
对采集得到的振动响应信号进行傅里叶变换，得到振动响应频谱，根据振动响应频谱得到该桥梁的实际自振频率f，并根据自振频率选择频率段，建立响应频谱相关性指标，根据相邻梁之间的振动响应频谱差异性指标DISS＝1-SISS来评估相邻梁的横向连接状态；所述响应频谱相关性指标为：
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式中：和分别为横桥向相邻测点i和i+1(i＝1,2,…,mm-1)处的动力响应频谱，mm为测点数，n为采用的频率点数；
将车辆简化为由弹簧、质量、阻尼组成的模型，车体共三个自由度，竖向沉浮Zs、纵向摆动θs和横向摆动αs，车轮含有一个竖向平动自由度Zti，建立车辆运动方程：
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式中：[Mv]为车辆模型的质量矩阵，[Cv]为车辆模型的阻尼矩阵，[Kv]为车辆模型的刚度矩阵，{Zv}为车辆模型的位移向量，{Pv}为作用于车辆上的相互作用力；
将桥梁模型使用有限元软件进行模拟，以梁格法进行简化：主梁刚度EI等于材料弹性模量E与梁单元截面惯性矩I的乘积；铰接缝与湿接缝简化为没有质量的横向梁单元，即采用虚拟横梁法进行模拟，横隔板则使用普通梁单元进行模拟，横向连接刚度为EhIx；将支座6个自由度简化为横桥向水平弹簧Khx、顺桥向水平弹簧Khy、垂直弹簧Kv以及绕各个方向的扭转弹簧Krx、Kry、Krz，主梁、横向连接和支座的初始刚度设计参数为E0I、Eh0Ix以及Khx0、Khy0、Kv0、Krx0、Kry0和Krz0；提取质量矩阵和刚度矩阵，通过Rayleigh阻尼法得到阻尼矩阵，建立桥梁模型的动力平衡方程:
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式中：[Mb]为桥梁模型的质量矩阵；[Cb]为桥梁模型的阻尼矩阵；[Kb]为桥梁模型的刚度矩阵；{Zb}为桥梁模型的位移向量；{Pb}为作用于桥梁上的相互作用力；
对桥梁模型进行修正，将主梁弹性模量E、横向连接弹性模量Eh和支座竖向刚度Kv作为待修正参数对主梁平均整体损伤、横向连接损伤和支座损伤进行修正；
将试验得到的差异性指数DISSe向量和自振频率fe作为目标值，根据车辆和桥梁理论简化模型得到的差异性指数DISSt向量和自振频率ft，建立目标函数：
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</mrow>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&pi;f</mi>
<mrow>
<mi>e</mi>
<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
<mo>|</mo>
<mo>|</mo>
</mrow>
式中：λ为各参数残差的权重系数；j为自振频率的阶数；DISSe＝{DISSe(1,2),···DISSe(i,i+1),···}，DISSt＝{DISSt(1,2),···DISSt(i,i+1),···}；i和i+1为横桥向相邻两测点；
采用约束优化算法对建立的简化模型进行修正，使目标函数公式表示的残差满足设定的收敛准则：
Fn(E,Eh,Kv)≤ξ&|Fn+1-Fn|/Fn≤ε&n＞N
式中：n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；
根据模型修正的结果得到桥梁主梁损伤指数θ1、第l个横向连接的损伤指数θhl和第m个支座的损伤指数θvm，建立桥梁整体服役安全状态评估标准，其中，θ1＝1-E1/E0，θhl＝1-Ehl/Eh0，θvm＝1-Kvm/Kv0；l＝1,2,…,qq，qq为横向连接的个数；m＝1,2,…,nn，nn为支座的个数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述振动传感器安装在桥梁的跨中位置。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据相邻梁的振动响应频谱差异性指数DISS＝1-SISS确定相邻梁的横向连接状态，具体为：
若DISS<0.05，则确定相邻梁的横向连接状态良好；
若0.05≤DISS≤0.1，则需进一步判断相邻梁的横向连接为虚假损伤或者为真实损伤；
若DISS>0.1，则确定相邻梁的横向连接出现损伤。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述建立桥梁整体服役安全状态评估标准，具体为：
若θ1<0.1、θhl<0.5、θvm<0.5，将等级设置为1级，桥梁整体健康状态良好；
若0.1≤θ1≤0.3、0.5≤θhl≤0.9、0.5≤θvm≤0.9，将等级设置为2级，桥梁出现较小损伤；
若θ1>0.3、θhl>0.9、θvm>0.9，将等级设置为3级，桥梁出现较大损伤。
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