（工程力学专业论文）疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析.pdf

一 i r n a n j i n gu m v e r s i t yo f a e r o n a u t i c s 锄da s t r o n a u t i c s t h e ( h a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a e r o s p a c ee n 百n e e r i n g r e s e a r c h0 nt h e a p p l i c a t i o nm e t h o do f f a t i g u es e n s o ra n db r i d g e d a m a g ea n a l y s i s a t h e s i si n e n 百n e 嘶n gm e c h a n i c s b y s u i ll e a d 讥s e db y p r o f e s s o rh um i l l g m i n s u b n l i t t e di np a n i a lf u l f i n n l e n t o fm er e q u i r e 】m t m t s f o rt h ed e 孕e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u 哪2 0 1 0 c t l 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明 引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印 件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 - ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：圣丑二垒 日 期：望止：墨：兰兰 - ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 大型结构桥梁都是在长期的动应力作用下工作的，疲劳累积损伤引起的结构材料强度逐渐 退化，成为桥梁耐久性的关键因素。近年来，人们对桥梁的健康监测也越来越重视。疲劳传感 器是一种电阻响应传感器，其核心元件疲劳计是特殊退火处理康铜材料制成的，在交变载荷作 用下产生不可逆的电阻改变。电阻的变化可以反映结构的疲劳加载历程，是一种理想的桥梁结 构状态监测装置。本文就疲劳计的监测应用分别从理论和实验验证方面做了深入的研究。 首先提出了基于疲劳计的桥梁载荷谱计算理论，包括阐述其基本的特性和原理，以及疲劳 计对变幅载荷的电阻响应规律等，结合桥梁载荷谱的特性，提出基于双疲劳的桥梁载荷计算模 型和时程载荷谱，并用程序实现。 其次设计了动态加载试验来验证该计算模型的可行性和准确性，通过比较模型计算得到的 载荷谱与实时加载的随机载荷序列，验证其可行性：加载已知的载荷谱，比较模型计算得到的 载荷谱是否与加载的载荷谱一致，验证其准确性。并分析电阻的统计特性对结果的影响及误差 处理。 最后结合东海大桥监测实例，根据英国桥梁规范b s 5 4 0 0 和m i n 盯损伤理论对大桥进行损 伤计算和寿命评估，以说明疲劳计在桥梁结构疲劳监测中的损伤评估方法。 关键词：疲劳传感器，疲劳计，桥梁载荷谱，时程载荷谱，大型桥梁，疲劳损伤监测，寿命评 估 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 a b s t l 。a c t k m g s p 姐m d g es 仃u 孤鹏ss e n ，i u n d e rl o n g - t e ma l 钯1 1 l a t ei o a d s ，s 骶畸hd e g r a d a d o n0 f s 咖c t u 坨m a t 喇a l sb c c a u o ff 撕g u e 伽玑l a t i v ed a m a g ei sk e y 缸缸o f d u r a b i l i 够hr e c e n ty e 躺， b r i d g eh e a l t l lm o i l i t o 血ga a t 仃a c t e da t 删o nm o 他雒dm o 也ed i 西t a lf 硝g i 坨i sa 驼璐凹 代s p o n s e di nr e s i s t a n c e ，m ec o 他c o m p o n e n t 觚g u eg a g ei sm 锄ko fc o p p t ；c k e la l l o ) r sf o rs p e c i a l 孤a l i i l gt r e a t i i l g ，喇i l i c hh a v eap r o p e r 哆o fp e ：m m 嘲l tr e s i s t a n c ec h 锄g ew h 铋i te x p 甜e n c e dt o _ d l t e l df a 石g u el o 弛1 9 s ，柚dt l l ec ：h 锄g cc 锄托n e c t 廿1 ef a 石g u ep f o c e 豁o f 1 es 劬c t u ，i ti sa p e r f e c ts e r 塔o ri n 脚l l i t 0 血g 吐l ef a t i g u es t a t eo fs 虮l c t i l 陀t 1 1 i sp a p c rh 够d o n e 锄i i l d e p ms t i l d yo ft h e - m o n i t o r i n ga p p l i 6 0 nf r o mb o 也l e o 他缸c a l 觚da 叩c r i i l l e n t a lv e r i f i c a t i 叽 f i r s t l y 嘶d g el o a ds p e c 仉mc a l c u l a t i o nm e o 叮b 舔e d 衄觚g u eg a g ei sp r 叩o s e d ，i i l c l u d i l l ga d e s c r i p t i o no fi t sb 觞i cf e a t u r e s 锄dp 血c i p l e s ，懿、e l l 嬲孔c o u n tf 0 rr e s i s t a n c cr e s p o n t ot l l e v a r i a b l e 姐l p l i t u d el o 幽g ，e t c b 勰e d0 nm es p e c i a l i t yo fl o a ds p e c 饥】mo f 砥d g e ，an e wm e t h o dt 0 i i l f 打l o a ds p 吧c t m mo fb r i d g ea n dt i l l 舱- l o a ds p e c 饥i i n 耐mt 、of 撕g u eg a g ew 弱p r o p o s e d ，a n d p r 0 粤锄t 0i m p l e m e m a t i o n s e c o i l d l y d y i l a i i l i cl o a dt c s t sw e 托d e s i g n e dt ov e r i 黟t h ef c 懿i b i l 畸孤d c u m c yo ft l l e c a l c u i a t i o nm o d e l b yc o m p 撕n gm em o d e lc a l c u l a t i o nl o a d ss p e c 咖锄d 托a l t 洒舱瑚d o ml o a d st o v e r i 匆i t sf e 舔i b i l i 够m e nc 伽l p a r i s o no fi n o d e lc a i c u l a t i o 璐l o a d ss p e c 虮l i i l0 b t a i n e d 晰m 也eh o w n l o a d ss p e c t r u 【mt 0v c 畦匆i t sa c c l m 犯y a i l a l y z et l l es t a t i s t i c a lc k i r t e r i s d c so f 托s i s t a i l c ei i l f l u e n c e 锄 t h e 嬲u l t s 盟de r r o r h 柚d l i l l g a tl a s t ，姐妇t a i l c eo f 蛔g ec a l c u l a l i o n 觚dl i f e t i m ee 砌u 撕0 nt 0 廿1 ee 弱tc h i ms 铭b r i d g e p r o j e c tm 0 玎i t i 口血gw 弱p 麟e i 他d c o r dt ot l l e 晡d g cd c s i 班c o d eo fb s 5 4 0 0a i l dm i i l c rd a l m g e t h s o 私t os h o wt h es t 印so fa p p l i c a t i 吼雒d 觚a 1 ) ，s i so f 嘶d g ef 撕g i l ed 锄a g e 丛s s m e n t 啊t l i f i a t i g u eg a g e k e y w o r d s ：f 撕母圮s e i 塔0 r ，僦g u eg a g e ， l o a ds p e c 咖o f b r i d g e ， b r i d g e ，d a m a g em 删t o 血g ， l i f e 弱s 骼s m 乞 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 大型钢结构桥梁健康监测的目的和意义。l 1 2 国内外桥梁疲劳监测的研究现状l 1 3 疲劳计在大型钢桥疲劳监测中的特性及课题意义3 1 4 本文所做的工作。4 第二章疲劳传感器特性及桥梁载荷谱计算模型5 2 1 引言5 2 2 疲劳传感器各组成部分及原理5 2 2 1 疲劳计元件的工作原理、敏感栅材料特性及电阻变化机理5 2 2 2 倍增器介绍及其主要技术要求。7 2 2 3 数据采集卡介绍8 2 3 疲劳计元件在变幅载荷加载下电阻的响应规律9 2 3 1 恒幅标定疲劳计性能试验9 2 3 2 变幅加载的逐级等效原理1 0 2 4 基于双疲劳计的桥梁载荷谱计算模型和时程载荷谱1 l 2 4 1 桥梁载荷谱特性1 1 2 4 2 将桥梁载荷谱的分解为一系列变幅载荷序列1 2 2 4 3 基于双疲劳计的载荷谱计算模型1 3 2 4 4 桥梁瑞利谱计算方法15 2 4 5 时程载荷谱1 6 2 5 本章小结1 7 第三章基于疲劳计模型的若干问题及动态验证实验1 9 3 1 弓i 言1 9 3 2 疲劳计计算模型的收敛性1 9 3 3 疲劳计载荷谱计算模型与实时应变时程的一致性。2 2 3 3 1 实时采集的桥梁应变时程2 2 3 3 2 流计数法简介2 3 3 3 3 效幅值2 4 3 3 4 验证双疲劳计计算模型和雨流计数法处理方法是否等效实验。2 5 i i i 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 3 4 验证双疲劳计计算模型的准确性和时程载荷谱理论2 9 3 5 本章小结3 3 第四章基于疲劳计的桥梁损伤理论及误差分析3 4 4 1 引言3 4 4 2 电阻值的统计特性3 4 4 3 损伤计算理论3 6 4 4 电阻统计特性的误差对计算结果的影响3 8 4 。4 1 瑞利参数和电阻变化率间的关系3 8 4 4 2 循环数和电阻变化率间的关系4 0 4 5 误差处理4 0 4 5 1 电阻误差到载荷谱的传递公式4 0 4 5 2 电阻统计特性对桥梁损伤的误差分析4 1 4 6 本章小结：4 3 第五章东海大桥工程的监测实例分析及相关问题研究。4 4 5 1 引言4 4 5 2 实际工程算例4 4 5 2 1 东海大桥工程以及监测系统概况4 4 5 2 2 东海大桥的疲劳监测系统4 5 5 3 对东海大桥的疲劳损伤进行评估4 6 5 3 2 计算载荷谱和损伤度4 6 5 3 3 计算时程载荷谱4 9 5 3 4 倍增器最佳放大倍数的选取5 0 5 5 本章小结5 i 第六章总结与展望。5 2 6 1 课题总结5 2 6 2 不足与展望5 2 参考文献5 3 致谢5 6 j 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 7 南京航空航天大学硕士学位论文 图、表清单 图2 1 数字疲劳传感器5 图2 2 疲劳计在横幅载荷作用下的电阻响应。6 图2 3 二维插值程序流程图1 0 图2 4 电阻等效程序流程图l o 图2 5 电阻变化等效示意图1 0 图2 6 瑞利载荷谱的分解。1 3 图2 7 门槛值不同的疲劳计感受同一测点的应变幅值范围图1 4 图2 8 r 、叮、n 三维数据图表1 5 图2 9 根据计算模型得到的公共解示意图1 6 图2 1 0 载荷谱的等效示意图1 7 图3 1 四组放大倍数不同的各自满足电阻值的解曲线。2 l 图3 2 大桥某时间段的实时应变时间曲线图2 2 图3 3 雨流法计数模型2 3 图3 4 应力应变曲线2 3 图3 5 当量计数模型。2 3 图3 。6 雨流法计数过程2 3 图3 7 试验机示意图2 5 图3 8 系统结构图。2 6 图3 9 安装有疲劳计的倍增器试件。2 6 图3 1 0 动态加载试验装置台2 7 图3 1 l 疲劳计电阻随时间的响应示意图3 0 图4 1 一定应变和循环数下的电阻分散性示意图3 4 图4 2 电阻变化量与其分散特征值及其拟合曲线图3 5 图4 3 不同循环数下瑞利参数和电阻变化率的关系图3 8 图4 4 固定循环下瑞利参数和电阻变化率间的关系3 9 图4 5 电阻变化率与循环数的关系曲线图。4 0 图4 6 电阻累积量误差在不同置信度下对应的瑞利参数误差带4 l 图4 7 电阻误差在不同置信度下对应的损伤度的误差带4 2 图5 1 基于数字传感器的疲劳监测系统4 5 图5 2 主航道桥疲劳监测传感器布置图4 5 v 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 图5 3 颗珠山桥疲劳监测传感器布置图4 6 图5 。46 号箱梁横断面疲劳计布置图4 6 图5 58 组疲劳传感器的电阻响应曲线( 软件截图) 4 7 图5 6 载荷谱分解序列( 应变值单位为i ie ) 4 7 图5 7 不同概率下的s n 曲线及疲劳极限值4 8 图5 8 电阻累积量与放大倍数的关系5 0 表2 1 多级加载实验的加载参数表一1 1 表2 2 多级加载实验的加载参数表二1 1 表3 1 四组符合条件的传感器2 0 表3 2 瑞利参数相等条件下的各疲劳计的循环数2 0 表3 3 疲劳传感器参数及初始电阻值( 一) 2 6 表3 4 传感器a 变幅随机循环载荷加载一( 电阻单位为q ) 。2 7 表3 。5 传感器b 变幅随机循环载荷加载二( 电阻单位为q ) 。2 7 表3 6 传感器c 恒幅循环载荷( 电阻单位为q ) 。2 8 表3 7 雨流计数法得到的载荷谱。2 8 表3 8 瑞利谱分解后得到的载荷谱2 9 表3 9 雨流计数法和双疲劳计算模型等效应变幅值的比较。2 9 表3 1 0 疲劳传感器参数及初始电阻值( 二) 3 0 表3 1 l 疲劳传感器a 载荷谱计算值与实际值比较3 l 表3 1 2 疲劳传感器b 载荷谱计算值与实际值比较3 2 表3 1 3 疲劳计在电阻累积不同范围内在固定载荷谱下的电阻变化量3 2 表4 1 幅应变与其对应的若干循环数的加载形式3 5 表4 2 程序计算值与拟合值比较。3 9 表5 1 不同失效概率下的桥梁寿命。4 9 表5 2 根据主航道上其他7 组传感器数据计算的桥梁剩余寿命。4 9 表5 - 3 东海大桥的某段时间等时程载荷谱。5 0 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 电阻累积量 门槛值 疲劳计放大倍数 瑞利分布参数 第i 块应变对应循环数 门槛值以上的循环数 平均值 等效应力幅值 第i 级损伤分量 x 的标准误差 交变应变幅 循环数 应变变量 桥梁最大应变 密度函数 变异系数 变幅应力 评估寿命 疲劳极限 误差修正因子 ) 毛 x ， ， 砟n g“舶叫时印叭 n 鳃 岛d 。 珥一x腑也 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大型钢结构桥梁健康监测的目的和意义 在现代化的经济建设中，桥梁在交通运输方面的作用日益突出，尤其是很多现代化的大型 桥梁，已经成为该地区经济和社会生活的重要组成部分。随着现代工程技术的不断发展，桥梁 的结构日益复杂化，造价也越来越高，其安全性、耐久性以及正常使用的功能也显得尤为重要。 鉴于历史上一些桥梁在运营阶段的灾难性事故【1 2 娜，引起人们对桥梁的安全监测问题的关注， 通过建立实时监测系统，能够对桥梁的健康状态进行实时分析并进行安全评估，预测诊断桥梁 病害，确保桥梁的安全运营，延长桥梁的使用寿命。因此，桥梁的健康监测技术已经成为桥梁 工程学科研究和发展的一个重要领域m l 。 桥梁健康监测，即通过对桥梁结构状态的监测与评估，为大桥在特殊环境和交通条件下或 运营状况严重异常时触发预警信号，分析评估桥梁使用寿命，并为桥梁的养护、维修与管理决 策，验证桥梁设计理论，改进桥梁设计方法和相应的规范标准提供科学依据。因此，桥梁健康 监测具有结构状态监测与评估、设计验证和改进设计规范这三方面的意义。 对于大型钢桥来说，健康监测显得尤为重要，因为在大桥的设计阶段要完全掌握和预测运 营期间的力学特性和行为时非常困难的，因此很难判断桥梁的疲劳损伤情况。大跨度桥梁的设 计依赖于理论分析，并通过风洞、振动台模拟试验等检验其动力性能，结构理论分析常基于理 想的有限元模型。这种模拟试验和模型分析在很多情况下是与桥梁运营的真实情况往往不完全 相符，由于结构和环境等诸多未知因素，所设计的桥梁不可能跟预期的性能完全相同。因此只 有通过对桥梁疲劳状态进行长期的实时监测，才能较为准确的判断桥梁的疲劳损伤情况。 疲劳损伤是大型钢桥退化的主要因素之一川，桥梁结构在车辆载荷作用下，某些部位将承 受载荷加载和卸载而产生的交变应力，长期的应力作用将使得桥梁结构产生疲劳，当疲劳损伤 达到一定程度时结构就会发生破坏。而疲劳损伤过程由裂纹形成阶段和裂纹扩展阶段组成，裂 纹形成阶段占据了疲劳损伤的绝大部分阿】，所以能准确评估疲劳裂纹形成阶段的损失至关重要。 而且在桥梁结构中，关键构件一旦出现细小的疲劳裂纹，极有可能使整个桥梁结构发生破坏。 因此，对大型桥梁的疲劳监测十分必要且意义重大 1 2 国内外桥梁疲劳监测的研究现状 桥梁健康监测的基本内涵是通过对桥梁结构状态的监控与评估，以便在运营状态严重异常 时发出预警信号，为桥梁的维护、维修和管理提供依据和指导。所以桥梁的疲劳监测常对以下 几个方面进行监控1 9 1 0 】： 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 ( 1 ) 桥梁结构在正常交通条件和正常环境下运营的物理与力学状态； ( 2 ) 桥梁重要结构构件和附属设施的工作状态； ( 3 ) 结构构件耐久性； “) 工程所处的环境条件等等。 从7 0 年代开始，世界上许多国家就对桥梁监测系统进行了研究【1 1 阍。美国的金门大桥安装的 测振仪器，实时监测该桥的安全情况；英国的弗瑞大桥布设了传感器，以测试钢桥的振动、挠 度和应变等；日本的关门大桥也安装了监测试验仪器。我国从9 0 年代也开始对桥梁的监测系统 进行研究。江阴长江大桥、青马大桥、虎门大桥等都安装了传感器，进行了不同程度的监测和 研究。 目前桥梁结构健康监测内容主要有一下几个方面【l 7 】： ( 1 ) 荷载监测，主要包括风载、交通等动荷载、温度、地震等等。所使用的传感器有：风速 仪、强震仪、温度仪、动态地坪等等。 ( 2 ) 几何监测，主要是使用位移计、g p s 、倾角仪、电子测距器等以监测桥梁各部位的静态 位置和静态位移( 如桥塔和锚碇的沉降和倾斜、主缆和加劲肋的线性交化等) 。 ( 3 ) 结构的静动力反应，用位移计、倾角仪记录结构的静动力变形和转角、支座和伸缩缝的 静动力相对位移历史；用应变仪记录桥梁构件的静动力应变和应力，连接数据处理系统后可得 疲劳应力循环谱：用测力计记录主缆、锚杆和吊杆的张力历史；用加速度计记录结构各部位的 反应加速度，连接数据处理系统后可得结构的模态参数。 目前已有多种基于不同学科的桥梁疲劳损伤监测研究和应用，按测试原理和方法分为：局 部无损检测技术、基于振动理论的模态分析法以及基于桥梁关键部位应变历程的疲劳损伤预测 方法。按照监测桥梁损伤的阶段，可以分为两类，一类是用于监测桥梁疲劳裂纹扩展阶段；另 一类可以用来监测桥梁裂纹形成阶段的疲劳损伤状况。 用于疲劳裂纹扩展阶段的监测主要有以下几种方法及不足： 一、局部无损检测方法【堋，局部无损检测方法是通过无损检测技术对桥梁的关键部位进行 检查，搞清细部结构的损伤情况。目前常用的方法有表面观测法、超声波检测法、电涡流探测 法等等，该方法的不足之处是对于那些不能接近的损伤部位无法进行检查，而且需要人工进行 地毯式搜索，费时费力，工作量大，不适用于大型桥梁工程结构的整体检测 二、桥梁损伤模态分析方法f 1 ”1 1 ，这是一种基于振东理论并结合系统识别、振动测试技术、 信号采集与分析等跨学科技术的损伤分析方法，从应用和研究角度看，这些方法大致可分为动 力指纹法和模态修正法。动力指纹法是通过分析和结构动力特性相关的动力指纹的变化来判断 桥梁结构的损伤情况通常用到的动力指纹有：振型、频率、模态曲线等等目前而言，动力 指纹法对实验室内的简单结构而言是成功的，应用于实际结构中还是不太理想，所以说其对结 2 南京航空航天大学硕十学位论文 构损伤识别的能力仍然十分有限。模态修正法主要是利用直接或间接测得的资料，通过条件优 化约束，不断地修正结构模型的刚度分布，从而得到结构刚度变化的信息，实现结构的损伤判 断和定位。该方法的缺陷在于测试不可能得到结构的完整模态信息且测量中的信噪比较低，因 而在实际工程中较难实现。 用于疲劳裂纹形成阶段的监测方法及不足：疲劳裂纹形成阶段占据整个疲劳寿命的大部分。 因此对疲劳裂纹形成阶段的损伤监测更具有重要意义。目前实际工程中应用较多的是应变计 啪1 ，选取若干天的应变时程数据，通过统计分析得到其标准样本，认为所测桥梁上所有的应变 循环都是这个标准样本的重复，并利用雨流计数法，得到标准样本的应力幅谱，然后再进行桥 梁损伤分析和寿命评估。但该方法需要长期进行高速实时数据采集，从而数据量很大，存储和 处理数据困难。桥梁在长时间内每天的车流量因季节变化而不同，最终计算得到的载荷谱也有 很大的差异。并且该设备较为复杂，各个环节的计算会使得应力谱的误差来源众多，致使应力 谱不精确，所以对桥梁疲劳寿命计算的可靠性并不是很高。 结合目前疲劳监测状况分析，目前桥梁疲劳监测存在主要有以下问题： ( 1 ) 缺少一个可以有效反映桥梁累计损伤的传感元件用于桥梁疲劳损伤监测中，以用来对 桥梁疲劳裂纹形成阶段的疲劳损伤监测。 ( 2 ) 对于裂纹的出现位置、裂纹尺寸的定位缺少可靠有效的方法。目前局部无损检测技术 和基于振动理论模态分析法都不能很好对桥梁裂纹识别和定位，只能适用于桥梁特定部位的检 测，随着大跨桥梁的发展，很难用来检测桥梁裂纹的位置。由于桥梁局部微小裂纹的出现而引 起桥梁结构的模态变化很小，且桥梁结构不确定的诸多因素和复杂的工作环境对结构模态参数 的敏感性会造成不利的影响，因此基于振动理论的模态分析法也很难对桥梁裂纹的出现、裂纹 尺寸及其位置做出准确的判断。 1 3 疲劳计在大型钢桥疲劳监测中的特性及课题意义 桥梁结构都是在长期的动应力作用下工作的，由于像车辆、风等各种高频率的小载荷作用， 其某些部位将承受加载和卸载而产生交变应力，从而产生疲劳损伤，长期的疲劳损伤积累是其 结构的退化的主要因素之一疲劳监测的目标就是当损伤形成宏观裂纹前能够准确预测其部位 并给出其损伤度。本文所研究的疲劳计元件就可以实现该目标，其独特的电阻变化机理，使电 阻能发生不可逆的改变，通过电阻的累积量可以直接反应测点的载荷的加载历程。所以基于该 核心元件研制的疲劳传感器与其它检测方法相比有显著优点，损伤载荷信号是通过不可逆电阻 变化自动累积的，而且载荷感应门槛低，疲劳响应灵敏度高、测试精度好，可望为桥梁疲劳检 测提供更有效方法。 3 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 1 4 本文所做的工作 第一，阐述了疲劳传感器主要部件的基本特性和工作原理，介绍了疲劳计在桥梁监测中的 特性。然后根据桥梁载荷谱服从瑞利分布的特点，设计了双疲劳计计算桥梁载荷谱的计算模型， 并编制了该模型各个模块的计算程序。 第二，根据疲劳计电阻的累积规律提出了基于等时程载荷谱的监测方法，通过电阻变化率 来分析每个时间段的交通量情况。 第三，设计两种动态加载验证试验，一种用来验证基于概率统计的通过重建的载荷谱和经 过雨流计数法实时处理的载荷谱的等效性，验证疲劳计模型的可行性。另一种是直接给疲劳计 加载符合瑞利分布的载荷谱，再根据电阻的累积量通过双疲劳计计算载荷谱，比较分析计算模 型的准确性。 第四，研究了疲劳计电阻值的统计特性，确定出其分散度最小的范围，推导由电阻分散性 引起的载荷谱参数的误差传递公式，并给出在一定置信度下载荷谱的误差带。最后推导出桥梁 损伤量和电阻累积量的直接关系，同样也给出电阻值在一定置信度下桥梁损伤度的误差带。 第五，结合安装于东海大桥的疲劳监测系统，对监测数据进行分析，并结合m i n e r 线性损 伤累积理论对其进行疲劳损伤计算和寿命评估，并提出了倍增器放大倍数的选取原则，根据在 实际工程中应用的疲劳传感器，讨论了满足工程需要的倍增器的最合适的放大倍数。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章疲劳传感器特性及桥梁载荷谱计算模型 2 1 引言 疲劳传感器是一种用于桥梁健康结构监测的电阻响应传感器，其核心元件疲劳计是由特殊 退火处理的康铜材料制成，其电阻响应对疲劳载荷有不可逆的特性，在交变动载荷作用下产生 不可逆的电阻改变，载荷卸除后电阻又具有“记忆”特性，电阻的变化过程可以反映结构的疲 劳加载历程，是一种理想的结构健康监测元件。本章首先介绍疲劳传感器的各个组成部分组成 和工作原理，重点阐述核心元件疲劳计的材料特性和电阻变化机理。接着根据疲劳计在恒幅载 荷作用下的响应规律，研究疲劳计在变幅载荷作用下的规律，提出了对于变幅加载的电阻等效 的处理方法，并通过实验来验证该方法的正确性。最后介绍桥梁载荷谱的分布特性，并根据前 面的基础提出双疲劳计计算桥梁载荷谱模型和时程载荷谱，并编程实现该算法。 2 2 疲劳传感器各组成部分及原理 疲劳传感器是一种疲劳损伤监测传感器嘲，它通过电阻变化量的自动累计来记录所测构件 的应变历程，性能稳定，是一种现代化的实时监测装置，适合结构的长期疲劳损伤监测。其主 要由疲劳计、倍增器与采集卡三部分，如图2 1 所示。疲劳计是核心元件，具有载荷卸除后电 阻变化保留的特性。倍增器是一种应变线性放大器，疲劳计感受到的应变为倍增器放大后的应 变。采集卡是一种高精度的数据采集卡，通过内置的芯片可以实时采集和传输疲劳计的电阻变 化率，以及倍增器的放大倍数以及传感器编号等信息。下面分别对各个组成部分进行介绍。 图2 1 数字疲劳传感器 2 2 1 疲劳计元件的工作原理、敏感栅材料特性及电阻变化机理 疲劳传感器与普通应变计的工作原理不同，普通应变计是实时应变监测元件，载荷卸除后， 电阻值恢复到原来状态。疲劳计由于其敏感栅的合金成分和加工工艺等特殊性，在循环加载下 5 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 电阻值发生不可逆的改变，最终的电阻累积量是各个循环加载下电阻变化量之和，载荷卸除之 后，电阻变化量保留。电阻累计值与加载参数( 循环应变幅和循环周次) 呈增函数关系，如图 2 2 所示。所以说疲劳计是长期监测结构疲劳损伤的理想元件。 电 阻 变 化 耋 霄环曩h j 图2 2 疲劳计在恒幅载荷作用下的电阻响应 疲劳寿命计的敏感栅材料及热处理工艺的特殊性决定了它的疲劳记忆特性。敏感栅材料除 镍、铜外，还有少量的铁元素。透射电镜实验说明，箔材内n i 原子是以杆状和片状的集聚体形 式存在于溶质原子中，集聚体平均有2 7 个原子，平均空间1 2 彳。，夹杂的铁元素能增强镍原子 的聚集作用，有利于镍原子形成集聚体，减小材料的电阻率。在交变应变作用下，栅丝材料内 部的滑移或剪切破坏了集聚体的结构，对于电子的散射作用增强，从而使得栅丝的电阻率增大。 同时疲劳寿命计的敏感栅箔片较软，其电阻值随它的应变硬化或冷作硬化而增加。较大的交变 应变量会造成单位作用周次内较强的滑移、剪切和应变硬化或冷作硬化，从而使箔材的电阻率 造成不可恢复的增加。稍小的应变量周次增多后，也会形成足够的滑移或剪切增加箔材的电阻 率，但太小的应变量难以破坏镍原子的集聚体，使得其电阻率的增加不明显。这种原理的疲劳 传感元件的电阻变化是相当有序的，具有很高的重复精度。并在常温或低温环境下保持稳定结 构。在交变载荷作用下位错通过集聚体使其分解，从而电阻率变大，载荷卸除后电阻变化保留。 电阻变化率与交变应变量和循环周次呈单调增非线性函数关系，这种微结构相当稳定，在 5 0 0 c 。8 0 0 c 范围性能不变。电阻累计值可达1 0 ( 1 0 0 q 可变化到1 1 0 q ) ，精度优于8 。本 身的疲劳寿命比普通结构钢高得多。如在厶芦3 0 0 0 工坫下，寿命大于1 0 6 。存在一个门槛值约为 占2 = 1 0 0 0 ，结，只有大于此值的交变应变才会使其产生电阻累积效应【删。 图2 2 是在恒幅交变应下标定的数据曲线。该曲线簇可近似由下式描述： 6 南京航空航天大学硕士学位论文 = 酏一岛妒 ( 2 1 ) 式中r 为电阻初始值，欲为电阻累积变化量，髟一交变应变幅，民一门槛值，n _ 一循环次数， k 、h 为常数。 疲劳计电阻变化主要是由以下几个因素引起的：金属错位引起的电阻变化率变化、金属中 点缺陷引起的电阻变化率变化。 疲劳计在使用中较之其他监测元件的优越性： ( 1 ) 疲劳计的电阻变化直接反映其所经历的疲劳历程。同样的过程也发生在疲劳计所依附 的构件上属于同步疲劳加载，所以说它是一种直接进行疲劳损伤监测的元件。 ( 2 ) 对应桥梁测点所承受的载荷，要使疲劳计达到饱和需要相当长的时间，一般要数十年之 久且性能稳定，所以其抗疲劳性很好，非常适合长期进行桥梁的健康结构监测。 ( 3 ) 实时数据采集量小，在监测中只采集一个电阻值数据，采集和处理都很方便，数据量比 其他方法小的多。 ( 4 ) 对于一般监测中使用的敏感元件，都需要置调理等电路等进行处理，在长期的监测中容 易受环境、温度的影响，而且还存在累积误差。疲劳计是粘贴于构件上直接测量，因此，误差 只是在测量时产生，不会产生传递误差。 ( 5 ) 在整个监测中，疲劳计的电阻始终是逐渐的连续的累积的，不会发生突然的跳变。而对 金属材料而言，其疲劳过程主要包括两个阶段：疲劳裂纹形成结构和裂纹扩展阶段。一般而言， 疲劳裂纹的形成阶段占整个疲劳寿命很大的比例，因此对疲劳裂纹的形成阶段的监测更有意义。 疲劳计不以表现为物理不连续的变化为监测目标，而是以自身的电阻变化来反映结构损伤的变 化，能有效地反映累积损伤的传感器元件，可以用于疲劳裂纹形成阶段的疲劳监测。 从总体上来说，疲劳计在获取监测数据的直接性、抗疲劳性能、耐久性、测量精度和数据 处理简洁性等方面，跟其他监测元件比较来说还是具有明显的优越性，在桥梁的健康监测方面， 疲劳计无疑是理想的监测元件。 2 2 2 倍增器介绍及其主要技术要求 桥梁疲劳属于变幅、低应力的高周疲劳范畴。对应测点而言，载荷范围一般都在数十个微 应变左右，而使得疲劳寿命计产生电阻累积的应变幅值为1 0 0 0 工侣。能对桥梁结构构件产生疲 劳影响的交变应变幅值大多远小于疲劳寿命计的门槛值，若直接将其用于大型钢桥疲劳损伤监 测，疲劳计几乎没有电阻变化输出。因此要将疲劳寿命计应用于钢桥结构的疲劳监测中，必须 设计出一种放大倍数适中、性能稳定的应变倍增器，通过倍增器的放大，疲劳计才会对桥梁的 应变做出响应。 结合桥梁的载荷特点，倍增器应该满足以下技术要求： 7 疲劳传感器应用方法研究及实桥损伤分析 ( 1 ) 性能好，放大倍数稳定，桥梁的疲劳监测是长期进行的，监测环境也是不断变化的，这 就要求倍增器要保持稳定的放大倍数。 ( 2 ) 具有较好的抗疲劳性，倍增器对动载荷进行放大，首先应该保证倍增器的结构本身不会 出现疲劳破坏。 ( 3 ) 线性放大，通过放大后，可以直接得到被测对象的实际应变大小，这就要求放大倍数大 小应该只由其结构尺寸决定，通过改变尺寸来改变放大倍数。 ( 4 ) 结构要简单稳定，易于安装。整体性要好，要做到对被测对象的应变进行准确的放大， 所以尺寸不宜过大。 本文所示使用的是一种改进的弓形倍增器，在图2 1 中疲劳计与电路板的基体为应变倍增 器，它是由一弓形弹性结构及在开口处的乙烯基橡胶体组成的。硅橡胶尺寸比弓开口略小，两 端加力张开弓口后放入硅橡胶，在弹性体回复力作用下使其处于压力状态而保持可靠联接。这 种结构应变倍增器是由较厚的水平支臂和较薄的弓形中间部分线切割而成，变形主要发生在弓 的中间部分，所以其机械放大系数约为安装粘贴尺寸与疲劳计栅长尺寸之比，倍增器采用弓形 预应力结构，它主要解决了实际工程中结构应变小于此疲劳计门槛值问题。 倍增器的放大倍数用公式表示为3 0 3 1 】： d = ，口( 2 2 ) 其中，为倍增器安装脚间的距离，a 为弓形开口宽度。 从上述对弓形倍增器的结构分析介绍可以看出应变放大倍数与倍增器受力大小无关，说明 通过倍增器放大后的应变与试件应变具有很好的应变关系。倍增器的工作状态经a 璐y s 模拟验 证后，放大倍数基本符合公式( 2 2 ) 。因此可以根据倍增器的有效安装脚长度和弓形开口尺寸的 比值，来制作成不同放大倍数的倍增器。 本节对疲劳传感器的各个组成部分进行了介绍，并对其核心元件疲劳计的电阻应变机理做 了重点的阐述，接着也分析了结构监测中对倍增器的要求，本文使用的弓形倍增器是符合要求 的。 实际应用中的倍增器的放大倍数要适中，不宜过高或过低，放大倍数过高，疲劳传感器对 测点加载的小载荷也会响应，长此以往其核心元件疲劳计会很快达到饱和至断裂，不再进行电 阻响应。放大倍数过低，使测点产生损伤的载荷由于门槛值的缘由，也不会被传感器感应，从 而大大降低其敏感度和准确性。因此在监测中，要先估计测点的载荷范围，选择适当的放大倍 数。 2 2 3 数据采集卡介绍 疲劳传感器的采集卡是直接附在倍增器上的旧。采用片上系统腻8 4 5 ，a d l l c 8 4 5 内部 8 南京航空航天大学硕士学位论文 集成有两路独立的高分辨率_ 型a 巾转换器，8 模拟输入通道。其中一路为主转换器，2 4 位分辨率，带输入缓冲器和程控增益放大器；最大放大倍数达1 2 8 倍。采集卡采用3 测量通道 ( 2 个通道连接疲劳计组成的半桥电路，另一通道为备用通道) ，片上自带稳压电路，高精度低 温漂供桥电路与参考电路；a d u c 8 4 5 片内f i a s h 可以根据要求写入传感器编号、传感器放大 倍数、电桥初值等；另外采集卡采用r s _ 4 8 5 通讯协议。监测数据由采集卡采集后之间传输到 监测中心。 2 3 疲劳计元件在变幅载荷加载下电阻的响应规律 2 3 1 恒幅标定疲劳计性能试验 疲劳计的性能标定就是通过实验标定电阻累积率、变应变量s 和循环周次的关系数据 表。其中电阻的累积率计算式为： 刖= ( 墨一r ) r 1 0 0 ( 2 3 ) ，i 其中凡为电阻初始值，r l 为测量时的电阻值，电阻累积率的标定始终是以电阻初始值为 基础的。 因为输出量( 电阻累积率) 与两个加载参数：交变应变量、循环次数有关，所以必须在全 域范围内变动加载参数进行标定。首先固定应变占，循环数n 从小到大依次以一定的步长往上 递增，记录下在循环数变化过程中疲劳计的电阻变化率，直到疲劳计达到饱和，即电阻不再变 化为止。此时再将增加应变，循环数以同样的方式递增。重复上述步骤