车辆对连续桥梁影响的损伤检测

车辆对连续桥梁影响的损伤检测文摘本文提出一种多级多通道的方法来识别损伤的位置连续桥梁响应的车辆移动的粗糙路面上桥。 车辆在桥上运行几次在不同车辆的速度和相应的反应。 车辆运行在完整的垂直加速度和受损桥梁用于识别。 多级破坏检测方法实现基于模态应变能法和遗传算法。 基于模态应变能的计算方法估计位置的损害破坏指标从频率提取的车辆响应完整和损坏的桥的数据。 在第二阶段,识别问题转化为一个全局优化问题,解决了遗传算法技术。 对于每一个通过的车辆,该方法可以识别损伤的位置,直到确定可接受的精度。 双跨度连续桥是用来验证方法。 数值结果表明,该方法可以识别损伤的位置相当不错。1.介绍桥梁结构的安全是非常重要的经济发展的国家,因此它是非常重要的,以确保桥梁状况良好。 各种损伤诊断技术也已经被开发出来,以满足这种需求1, 2。 航空航天和海洋石油行业进行了早期损伤检测自1970年代末和1980年代，分别,在土木工程社区,结构健康监测是一个比较活跃的领域当前研究3。 记录的振动结构,提取模态特性,然后从变化识别损伤的结构属性是最受欢迎的方法4。这是基于假设通常测量模态参数(特别是频率、模式的形状,和模态阻尼)是物理性质的功能结构的质量、阻尼和刚度。 因此,物理性质的变化,如减少刚度造成的裂缝或放松的连接,将导致检测这些模态属性的变化。 模态属性或属性的变化源于这些数量被用来作为损伤指标1。 前最重要的一个问题是在于分析模型之前和/或测试数据的检测和位置损伤1。 损伤检测法在时间域可以一定程度上解决这个问题。近年来他时域方法更加受欢迎来检查的非平稳信号1。短时傅里叶变换方法,总时间间隔分为短时间间隔的快速傅里叶变换应用到每个时间间隔。这个时间窗口方法缩小了时间间隔的损害位置6。然而,不确定性原理的约束限制了获得决议,促使另一种方法在多分辨率的出现称为小波变换分析7。小波变换可以适应窗户,这就是为什么它也被称为数学显微镜。他的性质使它损坏的一种适当的方法来检测响应8。在这里其他一些方法用于损伤检测。遗传算法,是其中一个用于改良这项研究。遗传算法(气),起源和发展于荷兰,是基于机制的搜索算法自然选择和自然遗传学9。天然气是不同于传统的优化程序在四个方面:(a)气体处理参数集的编码,而不是参数;(b)气体从人口点搜索,而不是单点;(c)气体使用目标函数信息而不是衍生品或其他辅助知识;和(d) 天然气使用概率转换规则,而不是确定性规则。由于结构损伤检测可以转化为优化问题,气体可以用来做检测的损害。上述方法确定的条件通过把传感器在桥上感应桥梁响应。还可以检测桥梁过往的车辆上的传感器。使用传感器在桥上车辆识别损伤反应具有一定的优势。首先,汽车传感器和激励器。更方便,因为它使桥的关闭更短甚至是不必要的。其次,它不受损坏的位置和分布传感器因为车辆运行和整个桥梁的检测Yang1113。从一个移动的车辆提取桥频率这项工作的启发,布鲁里等人提出了一个损坏的检测方法基于动态响应敏感性分析和正则化技术5。Nguyen和Tran14应用小波变换的位移一个移动的车辆的历史。Zhang 15模式形状广场从响应中提取并进行了损伤检测。他没有考虑以上工作桥的粗糙度,这将是一个非常重要的因素影响车辆的振动。他之前基于模态应变能的损伤检测方法应用于分析车辆的反应16,提出了两种可能位置的损伤。他是由于基于频率的损伤检测方法的限制17。他也进行了损伤检测车辆的使用小波变换从响应18。他的论文将考虑气候影响粗糙度的登车桥相互作用系统的损伤识别。他的策略是基于模态应变能法和遗传算法的结合技术。基于模态应变能方法可以缩小搜索空间,节省计算时间和GA技术。基于模态应变能方法可以缩小搜索空间,GA算法节省计算时间和提高的机会获得正确的解决方案。2.车桥相互作用系统 图1显示了典型的登车桥相互作用系统的草图。它包含一个连续的桥梁和车辆运行在一个恒定的速度。他桥使用有限元建模方法和建模为系统质-弹。他车辆模型包含五个参数。它是由一个集中质量模拟m2,弹簧刚度k2,阻尼c2。模拟车轮使用一个集中质量m1和僵刚度k1的弹簧连接车轮和路面。 2.1运动方程。当车辆从桥的一端到另一端以恒定速度、桥梁和车辆将垂直振动。一个向量Ub1（t）是用来表示一系列节点的垂直位移由元素模型的桥。首先,二阶导数对时间t,也就是说Ub1（t）和Ub2（t）,分别是垂直速度和加速度相应的节点。这些符号q1（t）和q2（t）分别表示车轮和车身的垂直位移。当他们接触力的相互影响,车辆的振动受桥的振动,反之亦然。这是一个耦合振动系统。假设汽车的质量相比是微不足道的桥。运动的控制方程中使用表示为完全计算机化方法。方程(1)可以使用纽马克-解决方法,威尔逊-0方法,或类似的计算车辆和桥梁的响应。 2.2建模的粗糙度。桥的随机路面粗糙度可以描述一种零均值,元,平稳高斯过程(3) (4).在这W1和Wu分别是上下的空间频率。19功率谱密度函数Sr（Wh）可以表示空间频率Wh路的表面粗糙度是(5)a光谱粗糙度系数的价值决定基于路面的分类条件根据ISO规范20。车辆和桥梁之间的接触力fc可以写成(6)。上面的方程意味着粗糙度和垂直位移的对应点气候影响接触力以类似的方式。如果粗糙度的高度明显大于桥的位移的价值,粗糙度控制接触力。所以，桥的识别信息,响应的至少应该与粗糙度有关。 2.3测量噪声。测量噪声也应该被认为是使模拟更接近现实。损伤检测进行了假设信号是受污染的5%白噪声所示(7). Qvm是模拟测量响应的车辆，n是一个态分布随机阵列与零均值和单位方差。测量噪声气候影响的响应和识别,但其气候影响比粗糙度小得多。3多级多通道的损伤检测方法 该方法包含两个阶段,基于模态应变能法和遗传算法方法修改。在第一阶段,基于模态应变能方法简单和快速的大致估计损伤的位置,以缩小搜索域的第二阶段。车辆在桥上可以运行几次,让一系列车辆响应。使用多个传递因为危险车辆和速度的属性会激发桥景,这将有助于保证识别的正确性。 3.1基于模态应变能方法。几个模态损伤诊断的开发基于属性的方法。基于模态应变能方法被选中,因为它非常的有效性,可以估算出损坏的位置如果受损结构的频率是可用的2123。完整的桥,头几个模式的形状可以模拟由元素领域获得的方法或测试。如果忽视了质量的变化,部分第i个特征值的变化由于损伤(8)。一个参数结构系统的NE元素和N节点,损失可能预测的敏感性方程(9)。在这aj(-1,0)是刚度的分数降低jth元素和模态能量的一部分或灵敏度在ith模式集中jth元素,Fij结构通过(10)。任何两种模式m和n,你可以从(9)敏感性计算获得(11)的比例。mth与nth的关系可以与关联(12)作为特征值。如果NM模式测量, (12)可以扩展到(13)。基于上面的方程,一个错误索引emj开发成(14)。特别是在emj= 0表示,损失是位于使用jth元素模态信息。占所有可用的模式,可以形成一个作为单一损伤指标jth(15)。已经验证的损害如果发现道路被认为是光滑的表面16，破坏位于j元素如果DIj方法的地方最大的点。 3.2经验模态分解。对于这个基于频率的方法,提取从车辆响应频率是很重要的。帮助确定频率精确,使用一些信号处理技术,包括常用的过滤技术和经验模态分解(EMD)提出的Huang24。使用EMD将信号分解为一系列的固有模式函数(进行)。给定一组测量数据X(t),EMD算法,以选址过程,探讨目前被描述如下。(a)识别所有数据的局部最大值和最小值X(t),然后计算相应的由三次样条曲线插值信号。这些信号是信号的上、下壳层。所有的极值应该覆盖在这两个壳层。让m1表示上部和下部的壳层。之间的各种数据表示m1(16)。(b)在理想情况下,h1应该是第一个 (IMF)组件。如果h1不满足要求24,把它当做原始数据,重复第一步,直到需求满足。第一个 (IMF)组件被指定为c1。(c)通过从原始数据减去c1, 获得一个r1(17)。(d)重复上述选址过程获得下一个进行。一旦获得IMFs,把它从信号在预定的标准得到满足:要么当组件cn或残留rn变得太小,有物理意义或残留rn成为一个单调函数IMF可以提取。因此,数据X(t)分解(18)。因此, 实现数据的分解是N-empirical模式。这个过程确实是像选址:分离最好的地方从第一只基于的数据模式特征时间尺度。然而,选址过程消除影响:(a)和(b)光滑不均匀的振幅。快速傅里叶变换应用到这些。它很容易提取更高频率。 3.3.修改后的遗传算法。损伤检测可以转化为一个优化问题。元素刚度与粗糙度可视为未知参数。假设桥没有伤害的属性是已知的。目标函数可以设置为响应之桥上运行车辆的当前和完好数据是(19)。随机性的GA的性质使得一场虚惊有时发生,但多次将防止这种情况。可以分为两个部分的响应。第一阶段利用结果从第一部分和识别损伤的位置。通常,至少应该包含这部分的回应三通过。GA将大致确定损伤的位置根据这些反应。如果从这些通过确定位置是相同的,不需要进一步的行动。如果反应的结果表明,所确定的位置是景,这些潜在的位置将提供第二阶段。这样一种方式将极大地减少误报的可能性,可能会降低搜索领域。他人口规模和生成用于GA会因此减少,这将节省计算时间。4数值研究 双跨度连续桥是用来证明损伤诊断策略。桥跨的属性L2=L1 = 25m,杨氏材料模量E= 2.751010N / m2,密度P= 3333公斤/立方米,转动惯量I= 0.12 m4。不考虑阻尼为有限元元素的长度分析是1.25m。对于五个车辆参数，相关值选择如下:m2 = 19840kg,k2 = 1105 N/ m,q2 = 2103 Ns / m,m1 = 160kg,k1 = 1105 N/ m。模拟粗糙度如图2所示,详见下一节。车辆获取车辆的速度响应0.6 m / s,0.8 m / s,1 m / s,1.2 m / s，1.4 m / s。集成是0.001秒的时间步。损害是建模为一个刚度的减少在梁的一个元素。本文选择损害周围的位置点分别是第一季度第一跨度的梁对应第四和第十的梁元素。刚度将减少30%。为了方便,减少僵硬是反映在等效杨氏模量与其表示的损伤诊断的结果。 4.1粗糙度的概要文件。两个粗糙的概况构造。其中一个是如图2所示。 4.2在第一阶段损伤检测。可以计算出车辆的垂直加速度(1)是1 m / s,车辆快速响应如图3.所示。傅里叶变换应用于提取频率造成的响应。前五个频率的完整的桥可以获得和受损的桥梁。基于模态应变能法第一阶段的损伤诊断。图4与两个山峰意味着可能有两个损坏的位置虽然造成的损害是在一个单独的元素。两个最近的元素每个峰值被视为潜在的损伤位置。因此,每种情况完全有四个可能的解决方案。 4.3在第二阶段损伤检测。第一阶段可以限制某些元素虽然受损的位置，不能限制损害单个元素。这将有助于缩小搜索域的后续工作。图4为示例,显示了损失可能在第37第四元素或元素,这表明第二阶段只需要确定哪些损坏的两个元素。根据反应分为车辆的两个部分速度。第一部分包含响应当车辆运行速度为0.6 m / s,1 m / s,1.4 m / s,其余的反应属于第二部分。将遗传算法应用于第一部分,Young确定的值模量元素如图5所示。损坏的位置确定时从三个通过在第四元素造成的损害。然而,位置第二例的损害尚未确定。甚至这一阶段并不限制损害一个元素,它不仅消除了一半的可能性,而且还提供了关于粗糙度的概要文件的更多信息。分析的第二部分使用GA的响应,可以确定损伤