CN114021405A - 一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法 - Google Patents

一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于桥梁结构安全检测技术领域，公开了一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法，步骤如下：(1)桥梁现场加载和数据采集；(2)计算桥梁横向影响线；(3)计算铰缝损伤指标。本发明通过使加载车辆按特定方案对桥梁进行加载，获取相应的桥梁挠度响应的实测数据。基于获取到的车致结构挠度响应，采用正则化方法求解横向挠度影响线，将影响线数据代入考虑铰缝损伤后的横向受力分析模型中求得铰缝损伤指标，进而实现对接缝损伤位置和程度进行判断。该方法适用于装配式板梁桥等多梁体系桥梁中横向连接的损伤检测，可实现对横向铰缝损伤的定位和定量评估，在桥梁检测和性能评估领域具有较好的应用前景。

Description

一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法
技术领域
本发明属于桥梁结构安全检测技术领域，具体涉及一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法。
背景技术
在过去的几十年间，桥梁建设有了巨大的发展。桥梁结构运营周期长达数十年，在服役期内，环境影响，材料老化，车辆荷载长期作用会对桥梁的运营安全带来极大的挑战。我国桥梁的数量已达到数十万座，其中80％以上都是中小跨桥梁。装配式板梁桥由于周期短、施工方便、受力明确等优势而被广泛应用，成为中小跨径桥梁中最常使用的桥型。装配式板梁桥中，主梁之间采用现浇混凝土企口铰连接，该构件被称为铰缝。铰缝是连接各个主梁并使其共同工作的重要构件，铰缝损伤也是这类桥型中最容易出现的病害。铰缝出现损伤，会影响到主梁之间的横向传力性能，随着铰缝损伤的加重，还会导致“单板受力”的现象出现。单板受力的危害性很大，不光会对主梁的结构造成破坏，还会引起桥梁附属设施的病害，如铺装层的反射裂缝、桥面错台等，严重影响桥梁的安全性、使用性和耐久性。
目前，对于铰缝损伤的检测，主要还是使用目测法，通过观察是否开裂或者渗水来判断铰缝的损伤状况，但当铰缝损伤发生在内部时，难以观察，目测法无法对铰缝的损伤状况进行判断，目测法仅能对已经损伤发展到一定程度的铰缝进行判断。此外，在条件允许的情况下，还可以采用荷载试验法。荷载实验法主要通过荷载试验来确定铰缝传递剪力的能力是否受到影响，但是荷载试验法耗时耗力，长时间阻断交通，并且过重的荷载可能使得桥梁的损伤加重。
铰缝是发挥横向传力性能的重要构件，目前对于装配式空心板桥这类使用纵向企口缝连接主梁的桥型，横向分布的计算一般使用铰接板法。铰接板法将刚性较弱的铰缝简化为铰接，不考虑铰缝传递弯矩的能力。在跨中的横向分布计算上，该方法精确度较高，并在此类桥梁设计时被广泛应用。但是，该方法并未考虑铰缝发生损伤后的状况，不能用于铰缝损伤时的横向受力分析，故需要对铰接板法进行一定的改进。考虑接缝损伤后的铰接板法可以获得桥梁的荷载横向分布状态，利用横向分布与横向影响线的对应关系，即可通过快速荷载实验获得的桥梁横向影响线判断接缝损伤与否。为此，研究一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥接缝损伤检测方法对评估装配式板梁桥服役安全具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法。具体技术方案如下：
步骤1.桥梁现场加载和数据采集
选用一辆两轴卡车作为加载车对桥梁的跨中和四分之一跨截面分别进行加载。车辆从靠近道路边缘的一端开始加载，加载位置逐渐沿横桥向的另一边移动，每次横向移动距离d为半个轮距，直到车辆移动至道路另一端。对桥梁某一截面进行加载的整个过程中，车辆在纵桥向的位置应保持不变。挠度传感器应布置在桥梁跨中和四分之一跨截面各主梁下缘中线处，在车辆对相应截面进行加载过程中记录每次加载后的各主梁挠度。车辆纵桥向加载方案及传感器布设位置如图1所示。对单个截面进行加载时，加载车横向加载方案如图2所示。
步骤2.桥梁横向挠度影响线求解
定义加载车辆单侧轮重之和为P，轮距为D，加载次数由桥梁的宽度和加载车辆的轮距共同决定，记为N次。由传感器测得的挠度响应和离散的横向影响系数由如下影响线识别方程表示：
R＝VH (1)
其中，R代表传感器测得的响应向量，H为横向影响系数向量；V是车辆信息矩阵，V的形式如下所示。
Figure BDA0003337534520000031
由上述影响线识别方程可以看出，该方程为欠定方程组，理论上没有唯一解。此时，使用Tikhonov正则化方法对该方程进行求解，其表达式如下所示。
(VTV+λ2TTT)H＝VTR (3)
Figure BDA0003337534520000032
获取正则化参数一般采用L曲线方法，即log||VH-R||和log||TH||所构成的曲线一般形状近似“L”形，其拐点代表的λ值为正则化参数的最优取值。将λ最优值带入公式(3)即可求得横向影响线向量H，所需位置的横向影响系数可进一步由插值获得。
步骤3.计算铰缝损伤指标
若铰缝发生了损伤，那么主梁之间就会存在相对位移，此时铰缝的受力状态需要考虑纵梁间相对位移的影响。在传统铰接板法的基础上考虑相对位移。对于第i条铰缝，建立力法方程，表达形式如下。
Figure BDA0003337534520000041
i＝1，2，...，n-1
其中：δik为k号铰缝内单位铰接力在i号铰缝处引起的相对位移；fij为作用在j号板上单位荷载在i号铰缝处引起的相对位移；gi、gk分别为i号、k号铰缝内铰缝剪力；pj为作用在j号板上荷载；ki为i号铰缝抗剪刚度。式中各项参数取值均与传统铰接板法相同。铰接力项系数主系数δii均为2ω(1+γ)，当k＝i±1时，δik＝-ω(1-γ)，其余均为0；荷载项系数fii＝-ω，当k＝i+1时fik＝ω，其余均为0。γ为空心板的刚度参数。铰接力项g可根据竖向平衡条件可由荷载横向系数分布求出。
此处铰缝抗剪刚度为铰缝剪力与铰缝处相对位移的比值，该刚度可反映铰缝传力性能的变化情况。以铰缝抗剪刚度为基础，铰缝损伤指标定义为抗剪刚度的倒数，也可以理解为铰缝的柔度。则第i条铰缝的损伤指标如下式所示。
Figure BDA0003337534520000042
对于步骤2获取的任意一条横向的挠度影响线，联立公式(5)～(6)可建立如下方程求解获得铰缝损伤指标。
Figure BDA0003337534520000051
当通过横向布置的多个传感器获得多条横向挠度影响线时，还可以进行非负最小二乘拟合获取铰缝损伤指标。以1号铰缝为例，多条影响线求解铰缝损伤指标的公式如公式(8)所示，对该公式使用非负最小二乘拟合会获得更准确的结果。由此带来的益处包括如下两方面：一方面可以剔除测量或者计算造成的误差；另一方面也能避免铰缝损伤距离传感器较远导致结果不佳的情况。
Figure BDA0003337534520000052
本发明的有益效果：
1、本发明使用快速荷载实验采集数据，耗时短，对交通影响小，测试过程不会对桥梁造成新的损伤；
2、本发明的铰缝损伤识别方法具备严格的理论基础，能够对铰缝损伤进行定位，并判断铰缝损伤程度，多个传感器获得的数据能保证识别结果有更高的精度。
附图说明
图1为本发明所采用方法的纵桥向加载位置与传感器位置示意图；
图2为本发明所采用方法的横桥向加载位置及传感器位置示意图；
图3为本发明所采用方法的实现流程图；
图4为本发明方法实施例中模拟的装配式板梁桥截面；
图5为本发明方法实施例中装配式板梁桥示意图，(a)为侧视图，(a)为正视图；
图6为本发明方法实施例中模拟的加载车辆；
图7为本发明方法实施例中由本发明方法识别得到铰缝损伤定位示意图；
图8为本发明方法实施例中的各种铰缝损伤工况的损伤指标对比图，(a)LSM-3,(b)LSQ-3,(c)LSM-3,(d)LSQ-1,(e)LMM-1-3,(f)LMQ-1-3；
图9为本发明方法实施例中加入噪声后的铰缝损伤指标对比图。
具体实施方式
下面结合附图和一个数值算例来对本发明做进一步的详细说明。
本发明的铰缝损伤识别方法分“求解桥梁横向影响线”、“建立考虑铰缝损伤的横向受力分析模型”和“计算铰缝损伤指标”三步，具体实施方式上文已经给出，接下来结合一个算例说明发明的使用方法和特点。
实施算：数值算例全桥测试情况
在本数值算例中，模拟了一个13m跨径的装配式板梁桥，装配式板梁桥模型由九个主梁组成，按照从左到右的顺序分别命名为1～9号主梁、1～8号铰缝。假定各板梁与铰缝的截面特性与质量分布均一致，主梁截面与桥梁模型如图4与图5所示。加载车辆尺寸如图6所示，按照步骤一中所描述的加载过程加载，共纵向行驶8次，每次横移0.9m。通过在响应中加入白噪声来模拟损伤指标的抗干扰性。
在本实施算中，铰缝损伤被设置为多种工况。铰缝损伤时的刚度折减均定为40％，损伤长度分为20％，30％，40％三档。铰缝损伤的损伤工况如下表所示。将这些工况在有限元中进行模拟，按照上述步骤进行加载与计算，计算获得的铰缝损伤指标还需减去铰缝完好状态下的损伤指标，进而排除模型误差的影响。铰缝损伤的定位如图7所示，全部工况计算对比结果如图8所示。受噪声影响严重的工况如图9所示。
不同长度的铰缝损伤
Figure BDA0003337534520000071
在铰缝损伤识别上，从图8中可以看出所有工况的铰缝损伤均能被准确识别，且被定位，在增加噪声后，仅LSM-3的工况1受到了较大影响，整体抗噪性较好。图7展示的LSQ-1的工况2结果可以看出，铰缝损伤不仅能被横向定位，也能被纵向定位。图8(a)、(c)、(e)可以看出，本发明所提出的损伤指标不会因为多个铰缝损伤互相影响，损伤指标只与其本身损伤程度与位置有关。

Claims (1)

1.一种基于横向挠度影响线的装配式板梁桥铰缝损伤检测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1.桥梁现场加载和数据采集
选用一辆两轴卡车作为加载车辆，对桥梁的跨中和四分之一跨截面分别进行加载；车辆从靠近道路边缘的一端开始加载，并逐渐沿横桥向道路的另一边移动，每次横向移动距离d为半个轮距，直到车辆移动至道路另一端；对单个截面进行加载的整个过程中要确保车辆在纵桥向的位置保持不变；多梁体系中每个主梁的底面中线在跨中和四分之一跨截面布置挠度传感器，在车辆对相应截面进行加载过程中记录每次加载后的各主梁挠度；
步骤2.桥梁横向挠度影响线求解
定义加载车辆单侧轮重之和为P，轮距为D，加载次数由桥梁的宽度和加载车辆的轮距共同决定，记为N次；由挠度传感器测得的挠度响应和离散的横向影响系数由如下影响线识别方程表示：
R＝VH (1)
其中，R代表挠度传感器测得的响应向量，H为横向影响系数向量；V是车辆信息矩阵，V的形式如下所示：
Figure FDA0003337534510000011
由上述影响线识别方程看出，该影响线识别方程为欠定方程组，理论上没有唯一解；此时，使用Tikhonov正则化方法对该影响线识别方程进行求解，其表达式如下所示：
(VTV+λ2TTT)H＝VTR (3)
Figure FDA0003337534510000021
获得横向影响系数向量H后，所需位置的横向影响系数由插值获得；
步骤3.计算铰缝损伤指标
若铰缝发生了损伤，那么主梁之间就会存在相对位移，此时铰缝的受力状态需要考虑纵梁间相对位移的影响；在铰接板法的基础上考虑相对位移，对于第i条铰缝，建立力法方程，表达形式如下：
Figure FDA0003337534510000022
其中：δik为k号铰缝内单位铰接力在i号铰缝处引起的相对位移；fij为作用在j号板上单位荷载在i号铰缝处引起的相对位移；gi、gk分别为i号、k号铰缝内铰缝剪力；pj为作用在j号板上荷载；ki为i号铰缝抗剪刚度；式中各项参数取值均与铰接板法相同；铰接力项系数主系数δii均为2ω(1+γ)，当k＝i+1与k＝i-1时，δik＝-ω(1-γ)，其余均为0；荷载项系数fii＝-ω，当k＝i+1时，fik＝ω，其余均为0；γ为空心板的刚度参数；铰接力项根据竖向平衡条件由荷载横向系数分布求出；
此处铰缝抗剪刚度为铰缝剪力与铰缝处相对位移的比值，该铰缝抗剪刚度反映了铰缝传力性能的变化情况；以铰缝抗剪刚度为基础，铰缝损伤指标定义为抗剪刚度的倒数，为铰缝的柔度；则第i条铰缝的损伤指标如下式所示：
Figure FDA0003337534510000031
对于步骤2获取的任意一条横向的挠度影响线，联立公式(5)～(6)建立如下方程求解获得铰缝损伤指标；
Figure FDA0003337534510000032
当通过横向布置的多个挠度传感器获得多条横向挠度影响线时，还可进行非负最小二乘拟合获取铰缝损伤指标。
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