结构检测及动力损伤识别结课作业

结构检测及动力损伤识别结课作业姓名学号班级土建学院硕士1410班指导教师结构检测及动力损伤识别结课作业一、简答论述题1、请论述荷载实验法评判桥梁工作状态的原理及基本步骤。请评述荷载实验法的优缺点。答（1）荷载实验法原理荷载试验评估法是对桥梁进行了外观调查和粗略评定后，对实桥施加试验性荷载，并对测试结果进行分析，从而对桥梁结构进行评定的方法。在旧桥评定中，它多用于桥梁实际工作状态不明确情况下的结构性能评定，以弥补根据外观检查的评定和以分析计算为主的评定的不足。桥梁荷载试验分为静载试验和动载试验，两者的基本思路不同。静载试验评估法的基本思路是用等效于设计荷载的车辆荷载对桥梁进行加载，测量桥梁的应变和挠度等静力响应，通过与理论值进行比较来推断桥梁结构在荷载作用下的作用状态和使用能力。动载试验是将动荷载作用于桥梁的指定位置，测定结构在动荷载作用下的振动响应及动应变、动位移以及裂缝等，从而确定桥梁结构的在动荷载作用下的动力特性，通过不同健康状态下结构动力特性区别来分析结构实际状态的安全性和可靠性,掌握桥梁结构的工作性能，判断桥梁结构的实际承载能力。（2）荷载实验法基本步骤一般的，荷载实验法包括以下三个阶段桥梁结构的考察和实验准备；加载实验与观测；测试结果的分析与评定。实验准备阶段是桥梁荷载试验顺利进行的前提与保障，其工作包括收集桥梁的设计、施工、监理、试验、养护与维修等文件资料；桥梁外观调查,包括桥面系、承重结构、支座、基础等部位的表观状况；检算桥梁结构在设计荷载和试验拟加荷载作用下的理论内力；制定加载和量测方案，选用适合的仪器仪表；搭设工作脚手架、架设测量仪表支架、测点放样及表面处理、布置测试原件、安装调试测量仪器仪表等。加载与观测阶段，现场静载试验程序和动载试验程序如图11、12所示。由于结构各项性能指标综合反映出结构的整体性能，因此结构在受力之后的各项性能指标是加载与观测阶段需测试的重点内容，如烧度、应变、裂缝宽度等物力指标的测定。在进行试验时，为了保证人员和结构的安全，通常采用荷载逐渐增大的分级加载方式来进行加载；同时，应该及时将实测数据同理论数据进行对比分析，以确定结构的响应是否正常。如果正常，则可以进行下一级荷载的加载。图11现场静载实验过程框图图12现场动载实验过程框图测试结果的分析与评定阶段，对荷载试验所测得的数据要进行分析总结，包括将某一荷载工况下的实测数据同相应工况下的理论数据进行对比分析、计算荷载效应系数等，最终以荷载试验报告的形式提交。（3）荷载实验法的优缺点桥梁荷载试验是指在荷载直接作用下，测试桥梁结构各部位及整体的响应参数，通过试验值同理论值进行比较分析，从而对桥梁的实际承载能力和安全状况作出评估。桥梁荷载试验作为桥梁承载能力评价中最直接、最有效和最有说服力的方法之一。虽然桥梁荷载试验能直观的对桥梁的性能做出评价，但由于其花费经费较多，试验时需封闭交通，严重时甚至有可能对既有结构带来新的损伤等，所以在实际桥梁评估中荷载试验并不能完全取代常规的评估方法。同时，目前的测量技术在精度和适应性方面已经不能满足获取高精度试验数据的要求,而且急需研究出版一部适用于各种桥梁结构的荷载试验标准。目前静载试验工作面大,加载时间长,且需要中断交通。怎样优化加载程序,并快速、准确地进行试验,将是今后的研究热点之一。在优化静力检测技术的同时,还需开展动载试验的研究,对其传统的理论和功能进行完善,使获得的动测参数更有效地用于桥梁的检测与评估。2、请论述公路和铁路桥梁动载试验内容及评估桥梁工作状态的方法和内容。答公路桥梁的动载针对中小跨径桥梁主要的测试项目脉动试验（自振频率）、无障碍跑车（振幅、动挠度、动应变）、跳车试验（强震性能）。检验桥梁结构在动力荷载作用下的受迫振动特性，如桥梁结构动位移、动应力、冲击系数的行车试验。测定桥梁结构的自振特性，如结构或构件的自振频率、振型和阻尼比等的脉动试验或跳车激振试验。铁路桥梁动载试验内容有梁体横向和竖向自振频率、桥墩横向自振频率（判断墩身刚度、基础病害）、模态振型（大跨结构、高墩）、横向和竖向振动阻尼比、梁体横向和竖向振幅、墩顶纵向和横向振幅、横向和竖向强振频率、横向和竖向振动加速度、控制截面的竖向动挠度（含动力系数）、支座的横向和竖向动位移、梁体和墩台控制截面以及钢梁主要杆件的动应力和动应变、机车和车辆脱轨系数和轮重减载率、斜拉桥的索力、裂纹在活载作用下的变化、车速。铁路桥梁强调横向振动特性。评估桥梁工作状态的方法（1）结构外观检查法（如公路桥梁养护规范）；（2）结构无损检测法（又称为材质检测），包括混凝土强度、裂缝、孔洞等，钢筋锈蚀情况等；（3）桥梁静力评估法；（4）桥梁动力评估法。3、请用结构动力学基本知识推导单自由度结构速度传递函数公式，及利用速度传递函数识别结构自振频率的基本原理。答（1）针对单自由度系统有运动方程为（31），式中X及F均为时间T的函数。MXCKFT自由振动下的响应为（32）TDXAESIN其中,220DAX0ARCTX根据拉普拉斯变换原理，设激励为简谐激励，稳态响应，JTFTFEJTXXE代入入公式（31），得2KMJCXF得到位移频响函数为12HKJC以速度、加速度为推导对象得到速度的频响函数和加速度的频XXVH响函数如下AH，其中为位移频响函数。22VDDJJHD（2）结构动力特性的模态参数主要有自振频率和阻尼比，动力响应规律不仅与其所承受的动荷载作用有关，而且还与其本身具有的动力特性存在密切关系。因结构可能承受的动力荷载的方向、振幅和频率范围等存在不确定性的特点，所以不管是物理实验研究或者数值模拟，输入的振动荷载都只能采用整个随机过程中的某些可以确定并实现的状态，因此想要对结构动力响应规律进行全面把握就需要从结构本身的内部特性，也就是通过传递函数所表达的结构具有的动力特性方面着手。模态参数的识别原理，主要工作有对自振频率的识别，是按照实验所设计的工况加载制度，首先通过输入一定频率带宽的白噪声作用在结构模型上，结构对其的反馈作用可以使白噪声输入信号产生变化。以结构表面各点所测得的加速度信号为输出信号，结构底面所测得的加速度信号为输入信号，从而计算处结构的传递函数。对在不同工况作用后结构加速度传递函数（推出速度传递函数）进行分析，可以获得结构在经过不同的振动荷载作用后的自振频率以及其变化规律。传递函数可以体现振动台物理实验模型的动力特性在频率域中的特征，表现了实验模型在频率域内对所承受动荷载作用的传输特征。台面所输入动荷载所含的各种频率成分在试验模型中传递时，模型可以对频率成分的其中一部分进行响应放大，而对另一部分进行响应衰减，从而使实验模型响应信号的频率分布与输入动荷载的相比，存在一定差异。这种动力特性能够以传递函数的形式来进行描述。因此，动力特性是动力响应规律的内部原因，传递函数对表达动力特性的变化规律具有重要作用。4、请论述用半功率法和导纳圆法识别桥梁频率和阻尼的原理。答半功率法所谓半功率点就是在幅频特性曲线上，作高度等于的水平直线与幅频特性曲线交的两个点P1和P2称为半功率点。对应的2MH频率和称半功率频率，两半功率频率之差称半功率带宽。半121功率点这一名称来源于信号分析中，因为功率与幅值的平方成正比，在P1和P2点处振动的功率等于共振功率的一半。首先激励系统使其处于共振状态，记录此时的振幅AN和共振频率,再计N算0707AN,分别往高和往低的方向调节激励频率,读取响应幅值0707AN对应的激振频率和再利用公式即可计算出阻尼比。21210导纳圆法当系统的阻尼较小时，在共振点（）附近，其矢端曲线的N曲率最大，而的改变量又极小，在这种情况下，其矢端曲线将逼近于一个真正的圆弧。根据导纳函数奈氏图在共振频率或固有频率附近的数据点（即复矢量的端点）所拟合的最佳圆，称为位移导纳圆。利用实验数据做出系统的导纳圆，估算系统阻尼值，一般只需要在固有频率附近做出部分导纳圆弧，假设阻尼比远小于1，结构的共振频率，NDN在这种情况之下所拟合的导纳圆如图所示。在共振点两侧选取任意的两个点A和B，由这两个点对应的频率与（AB）及其圆心角和即可估算出结构的阻尼值。ANBAB根据、对应的坐标有A2TN1ANB2TABNA两式相加得221TANT2ABNNBBB考虑到共振区附近，和与相差甚微，由此可以得到结构阻尼比AC1TANT2BB5、请论述用谱理论传递函数识别桥梁振型的原理。答当结构具有以下特点各测点的自功率谱峰值位于同一频率处；模态频率处各测点间的相干函数较大；各测点在模态频率处近似同相位或反相位，那么对各个模态频率分得比较开，阻尼比较小的多自由度结构而言，在任意激励下，当时，响应信号的互谱与自谱的峰值之比即可近似为振型之比。多1个点同时对参考点取互谱，然后进行归一化即可得到未知激励下的桥梁振型。多自由度结构频响函数幅频曲线的峰值在各阶模态频率附近，即（51）2RIPRPRPAAIHM峰（52）1RGRGIRAAI峰一般结构地脉动反应幅值（在幅值处）是地面脉动幅值的10100倍，则上式又可进一步化简为（53）2RGIRAH峰由式（51）（53）注意到，加速度虚频曲线峰值和导纳圆直径与幅频曲线峰值相等，可得出下列确定各测点振型坐标相对比值（绝对值）的方法各测点频响函数幅频曲线在某阶模态频率处峰值之比等于该阶模态振型在各测点处的坐标之比；各测点频响函数虚频曲线（采用速度频响函数时为实频曲线）在某阶模态频率处峰值之比等于该阶模态振型在各测点处的坐标之比；各测点频响函数在某阶模态频率处的导纳圆直径之比等于该阶模态振型在各测点处的坐标之比。振型坐标在各测点处的符号可由各测点间互功率谱的相位关系决定同相同号，异相异号。6、请评述结构动力评估方法的发展趋势和方向。答动力评估方法是近几十年来国内外研究非常活跃的全局损伤诊断方法之一。该方法是通过获取结构的动态信号，利用信号处理和故障诊断技术，确定结构可能发生的整体性能退化或局部损伤的大小和位置，是结构无损检测技术，该方法具有简单、快速、无损的优点，及显著的经济效益和社会效益。动力评估法根据损伤诊断所依赖的不同工具大体上分为三类基于动力学模型的诊断方法、基于信号分析的诊断方法和基于人工智能的诊断方法。结构动力评定正在向多学科交叉的方向发展，实际应用除了要考虑检测方法本身，还涉及到传感器的选择和优化配置、环境激励和响应的获取、测量信号的处理等多方面的内容。国内外的发展越来越倾向于各学科知识的综合应用，如振动理论、小波分析、人工智能控制理论和材料结构等的结合，从而实现学科间的交叉和融合，共同促进该领域的发展。结合桥梁结构的自身特点，结构动力评估以后的研究方向应集中在以下几个方面建立多体系的损伤识别方法；结构损伤识别理论的研究应结合桥梁工程本身的特点，充分应用其全过程信息（包括施工监控、荷载试验、健康监测和人工巡检4个阶段信息），建立多体系、多层次的损伤识别方法（局部与整体结合，静力与动力结合等）；小波分析方法的充分挖掘，建立基于小波分析的损伤识别方法体系；环境激励下的结构损伤识别方法，研究试验参数变化、环境参数变化对结构损伤识别的影响；健康监测的设计与开发的统一标准和规程；结构非线性的分析方法。二、桥梁加载方案设计1桥梁建模使用MIDAS/CIVIL建立该斜腿刚构桥的模型，采用梁单元建立模型，斜腿与主梁连接处建立主从节点固结。全桥共个129节点和126个单元，结构模型如图21。图21桥梁建模图2绘制各截面的影响线按照影响线来计算设计内力和挠度，然后根据作业提供的荷载图示来进行加载轮位设计，并给出各轮位下的计算内力、应力和荷载效率系数。21中0截面影响线及中0截面即主梁截面（节点46），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为80981MM，加载轮位首轮距邯郸方向支点265M；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为34182103KN/M2，加载轮位首轮距邯郸方向支点239M。图22中0截面影响线及加载轮位示意图22中20截面影响线中20截面（节点66），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为88377MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为16047103KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点495M。图23中20截面影响线及加载轮位示意图23边18截面影响线边18截面（节点73），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为82181MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为13638103KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点490M。图24边18截面影响线及加载轮位示意图24边12截面影响线边12截面（节点79），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为70775MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为27589103KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点624M。图25边12截面影响线及加载轮位示意图25斜腿截面影响线斜腿截面（节点114），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为81024MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为20436103KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点590M。图26斜腿截面影响线及加载轮位示意图26F1测点截面影响线F1测点截面，同边12截面。27F2测点截面影响线F2测点截面（节点68），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为86330MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为58876102KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点500M。图27F2测点截面影响线及加载轮位示意图28F3测点截面影响线F3测点截面，同中0截面。29F4测点截面影响线F4测点截面（节点24），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为86388MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为64389102KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点33M。图28F4测点截面影响线及加载轮位示意图210F5测点截面影响线F5测点截面（节点13），在设计荷载作用下，由移动荷载追踪器计算得出，跨中截面的挠度为72119MM；跨中截面在正负弯矩作用下的最大应力为28547103KN/M2。加载轮位首轮距邯郸方向支点25M。图29F5测点截面影响线及加载轮位示意图3分析内力和挠度结合静载试验，测试混凝土截面应力、梁的挠度，各测试截面的位置及数据如表21和表22所示。测试项目测点节点号位置号车辆荷载作用下混凝土应力KN/M2中活载作用下混凝土应力KN/M2荷载效率效率中0截面46261036800709中20截面66148021800679边18截面73110015300719边12截面79244034800701斜腿截面114I端（最大正应力）170025000680中20截面66249038800642边18截面73162025500635混凝土应力斜腿截面114I端（最小负应力）213033400638表21各轮位下应力和荷载效率系数测试项目测点节点号车辆荷载作用下混凝土挠度MM中活载作用下混凝土挠度MM荷载效率效率F1测点797212110810651F2测点688639128250674F3测点468098117030692F4测点248633128220673挠度F5测点137077108740651表22各轮位下挠度和荷载效率系数三、结构损伤识别计算分析题1桥梁振动模态分析通过运行分析MIDAS模型，得出桥梁的动力特性，其阵型模态特性如表31所示，各阶阵型详见图片31至310。频率周期模态号RAD/SECCYCLE/SECSEC111587941184427805422182130035572069580483193275242034380613022827943472175655261390180958544175041703067601422346528507188411453011888675446698686686901153588838394121334345700749439854840611360521100735011085757352136487060073267表31桥梁结构的前10阶自振频率和周期图31桥梁1阶横向阵型图32桥梁2阶竖向阵型图33桥梁3阶横向阵型图34桥梁4阶竖向阵型图35桥梁5阶竖向阵型图36桥梁6阶横向阵型图37桥梁7阶竖向阵型图38桥梁8阶横向阵型图39桥梁9阶竖向阵型图310桥梁10阶横向阵型2模拟桥梁损伤用降低单元弹性模量的方法模拟桥梁损伤，计算桥梁跨中、斜腿及斜腿与梁体交点等不同部位单独发生不同程度的损伤（如20，50，80等，损伤程度自己定义），及边桥梁发生多处损伤时桥梁各截面挠度和应力，并与无损情况下的结果进行比较分析。同时比较各损伤工况下和无损情况下的自振频率和振型变化情况，要求把把各状态下的频率和振型用图形的方式进行对比。21跨中6M损伤（损伤程度为20）重新建立模型，自定义跨中截面6个单元的材料特性，使其弹性模型为原始弹性模量的08倍，分析计算发生损伤之后在设计中活载作用下的挠度或者应力的实际值，与桥梁未发生损伤时的设计值进行比较，详见表32和表33。测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值MM变化量MM变化率中0截面46204421410097475中20截面66996999980029029边18截面7397569796004041边12截面79817385990426521跨中6M20损伤（挠度）斜腿截面11498698980038039表33跨中6M20损伤的挠度值及变化率测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值KN/M2变化量MM变化率中0截面4635603390170478中20截面66198019800000边18截面731810182010055边12截面793880389010026跨中6M20损伤（应力）斜腿截面114240024000000表34跨中6M20损伤的应力值及变化率与原模型进行模态分析和比较，详见表35。模态号损伤前频率（HZ）跨中损伤后频率（HZ）变化值变化率118442781826456001782209722069582066424000315601534380613437190500087080204552613954459850080154145570306767003094002758203968411453830804401034091237866869865651001218014813343457132939290049528037913605211135646190040592030101364870613640770007936006表35跨中6M20损伤的模态变化22左斜腿6M损伤（损伤程度为50）重新建立模型，自定义左斜腿截面6个单元的材料特性，使其弹性模型为原始弹性模量的05倍，分析计算发生损伤之后在设计中活载作用下的挠度或者应力的实际值，与桥梁未发生损伤时的设计值进行比较，详见表36和表37。测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值MM变化量MM变化率中0截面46204420330011054中20截面669969101110142142边18截面73975698520096098边12截面79817382340061075斜腿6M50损伤（挠度）斜腿截面11498699610101102表36左斜腿6M50损伤的挠度值及变化率测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值KN/M2变化量MM变化率中0截面463560363070197中20截面661980200020101边18截面731810182010055边12截面793880390020052斜腿6M50损伤（应力）斜腿截面1142400242020083表37左斜腿6M50损伤的应力值及变化率与原模型进行模态分析和比较，详见表38。模态号损伤前频率（HZ）斜腿损伤后频率（HZ）变化值变化率118442781823409002086911322069582032163003741718134380613437198600086270204552613953987950127344230570306766637078039359856068411453836632600451270547866869843637802323122688133434571224003511034228279136052111304909705561144091013648706132032770445429326表38左斜腿6M50损伤的模态变化23左斜腿与梁体交点6M损伤（损伤程度为80）重新建立模型，自定义左斜腿截面2个单元、梁体4个单元的材料特性，使其弹性模型为原始弹性模量的02倍，分析计算发生损伤之后在设计中活载作用下的挠度或者应力的实际值，与桥梁未发生损伤时的设计值进行比较，详见表39和表310。测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值MM变化量MM变化率中0截面462044246104172040中20截面6699691105810891092边18截面739756104280672689边12截面79817385560383469斜腿与梁体交点6M80损伤（挠度）斜腿截面114986105820722732表39左斜腿与梁体交点6M80损伤的挠度值及变化率测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值KN/M2变化量MM变化率中0截面46356043207602135中20截面6619802150170859边18截面731810189080442边12截面7938803980100258斜腿与梁体交点6M80损伤（应力）斜腿截面11424002550150625表310左斜腿与梁体交点6M80损伤的应力值及变化率与原模型进行模态分析和比较，详见表311。模态号损伤前频率（HZ）节点损伤后频率（HZ）变化值变化率1184427818265520017726096220695818845560185024894343806134037815034279878345526139514601203801276885703067667116340319042454684114537861461054999265478668698536371013231915381334345711411051193240614489136052111279950308057085921013648706129293830719323527表311左斜腿与梁体交点6M80损伤的模态变化24边桥梁6M损伤（损伤程度为80）重新建立模型，自定义边桥梁左右各3个单元的材料特性，使其弹性模型为原始弹性模量的02倍，分析计算发生损伤之后在设计中活载作用下的挠度或者应力的实际值，与桥梁未发生损伤时的设计值进行比较，详见表312和表313。测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值MM变化量MM变化率中0截面46204423903461693中20截面669969102220253254边18截面739756100640308316边12截面79817385740401491边桥梁80损伤两端6米（挠度）斜腿截面114986101390279283表312边桥梁6M80损伤的挠度值及变化率测量项目截面节点位置未发生损伤之前中活载下设计值（MM发生损伤之后中活载下实际值KN/M2变化量MM变化率中0截面463560359030084中20截面661980196020101边18截面731810172090497边12截面7938803750130335边桥梁80损伤两端6米（应力）斜腿截面11424002600200833表313边桥梁6M80损伤的应力值及变化率与原模型进行模态分析和比较，详见表314。模态号损伤前频率（HZ）