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下坝双线大桥施工图设计,双线,大桥,施工图,设计
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下坝双线大桥施工图设计 原文出自Journal of Bridge Engineering,September/October2011,Volume 16,Number5大跨度桥梁结构基于应变响应的能量损伤识别技术徐赵东;刘明;吴志胜; 曾忻 摘要：一种能量损伤识别技术通过处理应变响应获得了发展。首先，多自由度系统基于应变的能量动态指数起源于应变响应与能量密度范围内的频繁作用效应。其次，传统的外观模型挠度办法与所提的基于应变响应的能量损伤识别技术都用来分析一座大跨度斜拉桥，由此通过对比可以发现推荐的基于应变能量损伤识别技术避免了传统的外观模型挠曲办法的缺点。最后，通过大跨度斜拉桥损伤位置，损伤程度以及不同程度损伤的噪音污染消除分析，验证本技术的有效性。数值分析显示，所推荐的能量损伤技术不仅能够精确定位损伤位置，同时具有优良的定量损伤与噪音抵抗性能。美国工程协会数据库主题栏：损伤；应变；大跨桥；能量；关键字：损伤识别；应变反应；能量屈曲差异； 引言重要的民用，航空航天与机械系统在他们的使用寿命内会不断积累损伤。为了保证他们健康工作条件与使用安全，这些结构早期的损伤识别与维护显得非常重要。考虑技术上的可行性，费用，重要性与以及难度，研究大跨度斜拉桥快速可靠的损伤探测方法是一个很有吸引力的项目。过去动态振动技术在分析与实施过程中不断获得发展，被认为是一项重要的损伤识别工具。最近采用了振动频率及其模式技术检测tilff bridge 的损伤（McCuskey et al. 2007）。一项使用理想的神经波动组件的损伤识别理论成功地用来在ASCE的基准上来察觉与识别损伤类型（Reynderset al. 2007）。通过结合振动与波动传播数据，一种损伤自动确认与定位技术已经获得发展（Banerjee et al. 2009）。提出一项基于损伤发生前后的各个部位应变能量变化的结构损伤识技术（Sharifi and Banan 2008）。也提出一项改进后的基于损伤发生前后构件形态应变能量变化的损伤定量描述方法（Sharifi and Banan 2008）。这种定量描述的有效性是由一个两层门式刚架的数字模型与实验结果获得的（Shi et al. 2002）。一项基于小波分解的土木工程快速损伤识别也获得了发展并且应用美国土木工程师协会的健康监测基准项目（Mizuno and Monroig 2008）。对能量损伤识别的剁成标准也获得了建立，这可结合本征值，频率，和小波转化的相应数据来检测主梁的损害（Mizuno and Monroig 2008）。应变模式能量变化定位损伤被证实是有效的（hi et al. 2000）。不同的频率反应响应用于检测不同的结构（Sampaio 1999; Kim 2003）。采用Lanczos 算法的特征值分析方法是在一种横向的有限元环境中控制离散误差来获得模态参数的精确值（Dutta and Talukdar 2004）。基于加速响应的的能量损伤探测技术也被发展用来确认大跨度斜拉桥的损伤（Xu and Wu 2007）。灵活结合振型模态与振型模态曲线已经被成功的用来检测三跨斜拉桥(Catbas et al. 2008)。提出一项基于动态应变分布测量方法的自由模态方法用于梁式结构的损伤定位与定量估计（Li and Wu 2008）。采用不同的测量方法来评估基于振动的损伤测定理论（Adewuyi et al. 2009）。应变反应是最常用的大跨度桥梁结构的测量数据。近年来，高精度应变传感器例如高精度光纤摩擦传感器发展迅速。因此发展基于高精度光纤摩擦传感器的动态损伤测探技术成为极具挑战性的课题之一。本文即提出了一项基于应变响应的能量损伤检测技术，它同时基于应变响应与自振振型两者间的频率响应函数的关系。这项技术的基本思想是首先确定频率响应函数与二阶动态系统在频率范围中的应变反应之间的关系，然后再获得功率谱密度与应变响应能量的表达。对大跨度斜拉桥的主梁在不同损伤程度下做了了数字分析。将基于应变的能量损伤探测技术的结果与传统的自振振型曲线获得的结果进行对比。进行定量损伤分析与噪声污染的稳定性分析。数值分析表明，所提出的基于应变的能量损伤探测技术避免了复杂的与不全面的自振振型方法，它能精确定位损伤位置，同时也能准确量化损伤与良好的隔音性能。理论推导N个自由度的结构动态系统运动方程也可以写成 (1)其中M，C,与K分别是质量矩阵，阻尼矩阵，与刚度矩阵；位移矢量；荷载激励矢量。这里的阻尼矩阵C采用瑞利阻尼如下 （2）上式中的 和 是两个比例常量可以用来表示第一与第二模态的阻尼比。等式（1）可以用频率范围的格式表达： （3） 此系统的r级模态坐标可以写成 (4) （5） （6） (7) （8） 这里的，,和分别为r级模态刚度，模态质量，模态阻尼和模态动力；为r级模态矢量；为r级自振振型下的j结点自振振型值。与理论或结构动态一致（），结构中计量点b的应变可以表示为 荷载， 将其代入等式（8），得到模态荷载由等式（10），可得等式（4） 大跨度桥梁的主梁的横向弯曲振动中只需考虑横向位移与轴向应变反应。根据梁的弯曲理论（），横向振动位移x与轴向位移u在距离中性层h处的点可以写为 轴向应变写做由等式（13），应变模式函数为 这里分别为梁的应变与位移函数；表示梁的轴向坐标。根据公式（9），b点的应变反应可以写为将式（11）代入（15）得到根据式（16），应变传递方程可以写做式（17）表示应变传递方程仅仅是与应变模态与位移模式有关。在实际应用中，应变传递函数可以由下式确定上式分别是应变响应边缘转换与外荷载；F是边缘传递函数。应变传递函数至于自振振型，质量，刚度还有结构阻尼相关，根据等式（17），基于自振振型的动态参数常用来探测损伤。因此，应变响应的应变传递函数再结构上不同的点会有不同的动态损伤探测指数。在实用中细部的外荷载未确定，因此这个指数没有考虑输入外荷载可能对探测损伤的影响。基于这个思想，提出了一个基于应变响应的能量指标用来消除等式（18）的分母项再考虑其功率谱密度函数：上式中=应变响应的功率谱密度函数。 图片1.斜拉桥模型图解（单元m）能量损伤探测技术本文采用两种基于应变能量的能量参数来定位和定量结构损伤。一个是能量差，可以写作： 其中和分别为损伤前与损伤后的结构的应变能量谱密度，可以由（19）式计算得出。损伤位置可以由最大两者差的最大绝对值得出。另外一个能量指标是能量曲率差，根据自振振型曲率差的思想提出来的。其中=能量曲率差；和=分别为结构损伤后与未损伤的能量曲率；=结构上i点的能量曲率；=点i处的能量；L=i+1与i-1的距离。如前所提，损伤位置是由损伤后与损伤前结构的应变能量谱密度曲率的最大差值的绝对值确定。数值样本为了评价此项基于应变响应的能连损伤探测技术的有效性，做了一个三跨斜拉桥（200+400+200）的数值样本，如图1所示。混凝土箱型截面见图1.斜拉索的数量是25x8；截面面积是0.010,0.012，和0.014；预应力分别是420500和480MPa，单个橡胶支座安放在梁与塔之间。假设主塔是固定在基础上，且忽略土与结构物的相互作用。参考温度是,使用ANSYS对桥梁进行三维空间有限元分析。有限元分析模型组成为梁，连接系，弹性组成，和质量元。组件梁188号模仿主塔与梁，单元截面82模仿主梁截面。斜拉索由单元10模仿，索内预应力由单元10中不同应变描绘。每根索都连接在高弹性模量的刚性主梁上，整个有限元模型就像一个鱼骨。单元7和14用来模仿桥梁主梁与墩台见得支座。首先进行静态非线性分析，然后再进行动态分析。斜拉桥的固有频率和自振振型可以由模型分析获得。第一振型为漂浮振型，第二第三振型分别是第一横向弯曲模式与第一垂直弯曲模式，见图2。 图2.桥梁主要振型（a）第二振型（b）第三振型 在整个下述分析中，两总损伤假设发生在斜拉桥的主梁内，即10,30，和2单元折减70%刚度（位置：-13到-8m）和单元38（位置：-284到-276m）分别用来模仿轻微的，中等的与严重的损伤。动态特性，例如频率与振型，斜拉桥的应变响应都是用有限元分析软件ANSYS计算，其基于能量损伤的自振振型曲率，能量和动态参数由MATLAB程序根据等式（19）到（21）计算获得。本文进对大跨度斜拉桥进行数值分析。当前少没有实验数据来证实这个策略。希望未来能进一步做相关斜拉桥的实验。为了表示所提出的应变能量谱密度能量损伤探测技术的优越性，先来分析下传统的自振振型曲率方法。只要确定了损伤结构与相应的未损伤结构自振振型，结构上i点的自振振型曲率即可根据中心差分近似法通过数值计算得出： 其中h=测点i+1与i-1的距离。伤位置是由损伤后与损伤前结构的应变能量谱密度曲率的最大差值的绝对值确定。 如前所述，假设两种损伤均发生在梁上，即单元2发生10%的刚度弱化（位置：-13到-8m）和单元38（位置：-284到-276m）。损伤后与损伤前的结构振型曲率最大绝对差可根据式（22）和（23）得出。 图3.梁在10%损伤下的振型曲率差：（a）横向弯曲第一模态（b）竖向弯曲第一模态振型（c）竖向弯曲第二模态（d）全部保留振动（e）全部振型模态（f）竖向弯曲第三模态 图3表现了处于在不同模态下位置的振型曲率的绝对差值。绝对值随着模态的变化而变化。通过对第二模态，第三模态，第五模态，第六模态，第七模态自振振型曲率峰值分析，可以精确的探测到梁的损伤。峰值位置也如预测。对于这五个模态，出了主梁上的峰值，一到两个稍小的峰值可能导致对损伤的错误预测。但对于第四模态，未能探测到梁的损伤。结果显示在不同的模态下起损伤探测精度也随之不同，而且在某些模态下发现不了损伤。所以何种模态适合去探测未知的损伤是无法确定的。同时，自振振型模态曲率方法还有其他的缺点，例如所测自振振型与频率的差异，振型数量有限的或者可能被遗漏，所获得的测量数据复杂，特别是对于大跨度斜拉桥，获得完整的自振模态是非常困难的。总而言之，基于自振振型的大跨度斜拉桥损伤探测技术在实际应用中有许多局限。因此，找到一种无需振型分析的方式就显得非常重要了。应变能量谱密度损伤探测技术就是为了解决上述振型曲率方法的不足而不断发展的。 图4.梁在10%损伤下能量参数变化（EI Centro）：（a）能量差值（b）能量曲率差值 图5.梁在30%损伤下能量参数变化（EI Centro）：（a）能量差值（b）能量曲率差值. 图6.梁在70%损伤下能量参数变化（EI Centro）：（a）能量差值（b）能量曲率差值基于应变的能量损伤探测方法 对前述的斜拉桥，为了测量轴向平均应变需要将高精度应变传感器安装在梁上每个单元，因此总共需要109个高精度应变传感器。采用0.2倍的加速度的The EI Centro和Taft 地震波同时沿着垂直方向以作用激励荷载。应变反应由有限元程序计算。基于应变的能量可以由式（19）求得。结构损伤前后的能量差值E和能量曲率差值可以分别通过式（20）和（21）求出。 表1.在不同损伤度下能量差值与能量曲率差值（） 图7.能量差值随损伤度的变化（EI Centro） 图8.能量曲率差值随损伤度的变化（EI Centro）图图9.能量差值随损伤度的变化（Taft）图10.能量曲率差值随损伤度的变化（Taft）图11.梁在5%损伤下能量参数变化（EI Centro）：（a）能量差值（b）能量曲率差值图12.梁在10%损伤下能量参数变化（EI Centro）：（a）能量差值（b）能量曲率差值图13.梁在10%损伤下能量参数变化（Taft，10%噪音）：（a）能量差值（b）能量曲率差值 图14.梁在5%损伤下能量参数变化（EI Centro，5%噪音）：（a）能量差值（b）能量曲率差表2.在不同荷载激励与噪音条件下的能量差值与能量曲率差值的比较首先用ANSYS建立损伤后与损伤前的斜拉桥模型。第二，考虑两者在地震作用下的应变反应。第三，计算数据需要导入MATLAB数据库。然后根据等式（19）使用MATLAB程序计算出应变能量。最后，再分别根据式子（20）（21）用MATLAB算出损伤前后的能量差值E和能量曲率差值。两个损伤单元在10%的刚度折减下不同位置的能量差值与能量曲率差值见图4(a)4(b).于是可以根据能量差值与能量曲率差值准确的探测到两者的损伤，即单元2（位置：-13到-8m）和单元38（位置：-284到-276m）。基于应变的损伤探测方法有效地避免了复杂的自振振型分析，同时也不需要确定何种模态来探测损伤。这相比基于振型的探测方法具有明显的优势。图6和图5展示了考虑中等与严重损伤时，即30%和70%的刚度损失下两个损伤单元的动态参数。由此即可发现两种损伤。 为了评估基于应变动态能量参数方法的定量能力，图7和图8列出了再不同损伤程度的动态参数值（10，30和70%刚度损伤）。由单元2与38可以表示出损伤程度，可以发现损伤程度越严重，则应的能量差值与能量曲率差值越大。损伤单元的能量差值与能量曲率差值的的峰值列于表1.。在同等损伤程度下，单元38的能量差值与能量曲率差值比单元2要小。其可能的原因是单元2位于跨中。 为了评估不同荷载激励两种基于应变的动态参数值的损伤探测能力，采用0.2倍加速度的Taft 地震波作为另外的外荷载。图9与图10分别表示了在Taft地震波作用下能量差异与能量曲率差异。单元2与单元38的损伤也可以通过这两组参数获得。 为了检查当损伤较小时基于应变的动态能量参数的可靠性，在图11中表示了5%刚度损伤的单元的参数。两者的损伤也可以通过这两组参数获得。噪音污染下的强度分析为了检验该方法的强度，在分析结果中加入了随机分布的噪音其中为加入分析结果的噪音值。 当分析轻度破坏（10%的刚度减小）10%的噪音加入了应变反应数据，其在EI Centro和Taft 地震作用下的分析结果分别见图12与图13.峰值数据列在表2.噪音影响下处理应变数据时采用过滤技术。10%的噪音轻微损伤下的破坏情况仍可由能量差值与能量曲率差值获得。分析结果显示当数据被噪音污染时，其能量差与能量曲率差变化微小，峰值所示的损伤仍然明显。在EI Centro 地震激励作用下，10%的噪音加入了计算应变数据，单元38中，能量差从0.2663到0.2620，单
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