城市轨道交通桥梁动力特性对典型损伤的敏感性分析
城市轨道交通桥梁动力特性对典型损伤
的敏感性分析
摘要
由于高架线路具有造价低、运营能耗小等优点，在城市轨道交通中所占的比
重越来越大。高架桥梁一旦建成投入使用后，不可避免地受到自然损害和人为因
素的影响，导致其服役能力降低。基于此，本文以我国某城市轨道交通桥梁为研
究对象，通过模态分析计算该结构的基本动力特性参数（自振频率和模态振型），通过模拟典型损伤工况，研究了两类动力特性参数（自振频率和坐标模态振型准则）对城市轨道交通桥梁典型损伤的敏感性，并通过划分子结构进行一步研究了
局部模态信息对各类损伤的敏感性。本文的研究结果可为城市轨道交通桥梁结构
的损伤识别与故障诊断提供参考。
关键词：城市轨道交通桥梁动力特性敏感性分析
0引言
桥梁结构的动力特性是结构动力分析、抗震分析的重要参数，也是进行结构
谐响应分析、谱分析和瞬态动力学分析的基础。由于结构局部损伤会引起结构系
统参数的变化，而结构动力特性又是反映系统参数变化的最原始、最直接的信息，因此结构固有频率、振型及其演化而来的各种模态信息，也是使用阶段判别桥梁
是否存在损伤的基本依据。
基于此，本章将以某典型城市轨道交通高架桥为研究对象，结合该类桥梁常
见的损伤形式，通过数值模拟研究该类桥梁结构动力特性对结构多种典型损伤的
敏感性，为城市轨道交通桥梁结构的损伤识别与故障诊断提供参考。
1.1城市轨道交通桥梁动力特性的损伤敏感性分析
基于灵敏度的损伤识别方法修正方法克服了直接法的主要缺点，其可以提供具有物理意义的修正结果，因此得到了广泛的应用。所谓的灵敏度分析方法，就是基于固有频率和固有模态相对于结构参数变化的灵敏度来确定结构是否出现损伤，以及判断损伤的位置和严重程度。基于灵敏度的修正方法，首先利用实验模型和物理系统理论模型之间的响应残差建立目标函数，然后再采用某种优化算法使目标函数最小化。灵敏度计算是灵敏度分析方法的基础，常用的灵敏度计算方法有解析法和差分法两种，本节将利用差分的方法，计算所研究轨道交通桥梁结构动力特性，对该结构典型损伤的敏感性。
1.2频率敏感性分析
为了提高损伤识别的计算效率，选择合适参数进行识别是很重要的。识别参数选择的基本原则是结构模态参数对所选参数的变化较为敏感，因此，特征频率灵敏度分析是损伤识别参数选取的关键环节。由于利用模态法、动刚度法及动柔度法等解析方法计算特征值灵敏度都需要计算特征向量的导数，当有限元的规模很大时，其计算非常复杂，甚至很难实现。所以，在实际应用中往往采用如式（1-1）所示的一种近似的算法计算特征值灵敏度：
（1-1）式中，为第工况下结构参数的摄动项，为第阶特频率的摄动项。
通过对完好工况以及各种损伤工况的结构有限元模型进行模态可以获得结构在各状态的自振频率。为了进一步了解哪一阶频率对哪一种损伤更加敏感，，并以其为基础进行结构频率对各类损伤的敏感性分析。
图1-1 结构前10阶频率对各损伤工况的敏感性
图1-1给出了结构前10阶频率对各损伤工况的敏感程度。从该图中可以看
出对各种情况的损伤工况下所对应的频率灵敏度值都相差不算太大，在0-2%左右；与完好结构的各阶振动频率相比，各损伤工况下结构的前八阶频率减小，而第九、十阶频率增大；前四阶频率对各工况损伤的灵敏度较小，均在1%之内；第十阶自
振频率对结构的损伤最为敏感，各工况下频率灵敏度大致为12%；第九阶频率对
结构的损伤敏感性次之，大致在6%。以上研究结果表明，轨道交通桥梁结构的低
阶频率对结构各种工况下的损伤很不敏感，而高阶频率才能较好的反映结构的损
伤情况。
1.3全结构坐标模态置信准则敏感性分析
该部分首选提取坐标振型的代表性结点。由于标准梁跨整体计算模型是由实
体单元建立，节点特别多，是无法逐一考虑的，因此选择在两跨梁及三个墩上分
别选择五个典型代表的点来代表振型的变化，代表性数据点的位置及编号见图1-2。然后，对完好工况和损伤模拟工况进行模态分析，提取结构的前十阶坐标振型，利用公式（1-1）计算损伤前以及损伤后取出的代表性结点的COMAC值，并
通过分析COMAC值的变化趋势判定其对结构各类损伤的敏感性。COMAC值越远离
1表示其对损伤越敏感。
图1-2 全结构的COMAC值对各损伤工况的敏感性分析结果
图1-2给出了全结构COMAC值对各损伤工况的敏感程度曲线。从该图可以看出，各个工况的第一阶模态振型COMAC值范围大概在0.7至0.9之间，其对全结构的损伤都不是很敏感；第六阶和第七阶模态振型的COMAC已接近0.1，对全结构损伤最为灵敏。然而，图1-2的六条COMAC值曲线的变化趋势大致相同，这表明全结构COMAC值对各损伤工况的敏感性规律近似，利用其不容易实现结构的损伤判断。
1.4子结构坐标模态置信准则敏感性分析
由于全结构COMAC值对各损伤工况的敏感性规律近似，利用其不能很好分析振型对各类损伤的灵敏程度，一般而言，大多数复杂结构可以看作是许多子结构的组合，因此，该部分考虑采用子结构的概念，结合城市轨道交通桥梁的特点，将其墩和梁划分成5个子结构，然后，通过各子结构损伤前后的COMAC值趋势来分析子结构各阶模态对损伤的敏感性。
图1-3 子结构①的COMAC值对各损伤工况的敏感性
图1-3给出了子结构①的坐标模态振型对各损伤工况的敏感性分析结果。从该图可以看出，各工况COMAC曲线走势明显不同，这相比较于全结构的模态振型分析的结果更加容易分析出问题的实质。各个工况的子结构①的第一阶模态的COMAC值均近1，这表明子结构①第一阶模态振型对本文模拟的各损伤工况都不敏感；子结构①的第7阶模态振型对损伤工况5、6、7的敏感性最高，其COMAC 值约为0.35；各个工况下子结构①的第三阶、第四阶COMAC值都很接近，其值都在0.4-0.6之间。
2 本章小结
本文通过模拟5种典型损伤工况，研究了两类动力特性参数对城市轨道交通桥梁典型损伤的敏感性，并通过划分子结构进行一步研究了局部模态信息对各类损伤的敏感性。研究结果表明：
（1）城市轨道交通桥梁的低阶振动频率对各损伤工况的敏感性较低，高阶自振频率的敏感性较高；
（2）全结构第一阶模态振型对所模拟的各损伤都不是很敏感，而第六阶和第七阶模态振型对各损伤最为灵敏。全结构的各阶模态振型对各损伤工况的敏感性规律近似，利用其不容易实现结构的损伤判断。
（3）各子结构局部模态振型对各损伤工况的敏感性不同，通过对子结构模态坐标准则的敏感性分析有助于选定合适的局部模态振型信息来表征损伤。
参考文献
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作者简介：杨旭，男，汉族，辽宁葫芦岛人。研究方向：桥梁检测。
城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论
一、关键科学问题及研究内容 关键科学问题的提出 随着我国大量的城市轨道交通建成并投入使用，其结构健康服役的重要性日渐突出。城市轨道交通地下结构设计寿命为100年，在此期间由于结构性能劣化、服役环境变化、低频循环振动等内外因素共同作用下，城市轨道交通地下结构受力状态会发生变化，性能逐步退化，加之我国轨道交通建设速度迅猛，结构施工质量难免存在一定程度的缺陷，且结构损坏后不易或不可更换，给轨道交通地下结构健康服役状态的判断和预知控制带来了极大困难，亟需开展系统的基础研究。 城市轨道交通地下结构处于固—液—气耦合作用的赋存环境下，加上轨道交通低频周期动载作用下的疲劳效应、复杂渗流边界与循环振动荷载的累加效应、临近施工和运营扰动、结构自身的初始损伤和缺陷等多种内外因素共同作用下结构性能不断劣化，受力体系易出现薄弱环节，其演化过程高度非线性、性能演化机理难清，因而第一个科学问题是动态时空环境效应下的地下结构性能演化机理，研究内容为城市轨道交通地下结构材料施工期和服役期性能演化机理、初始损伤和缺陷状态下结构性能演变规律、结构的病害形成机理。 城市轨道交通地下结构为超长线状地下结构，在服役过程中受各种因素的影响逐渐出现病害，其结构性能随之不断劣化，健康状态极其难知。为满足结构长期健康服役的需求，在揭示其受力与变形演化历史及现状的基础上，需要采用经济、高效的监测方法，全覆盖智能感知超长地下结构性能，研究结构在单一、多种病害组合状态下的响应机理，确定结构性能对各种环境因素的敏感性与发展趋势，达到定量化预知结构未来力学行为及其服役性能的目的，因而
第二个科学问题是超长线状地下结构的状态智慧感知与评估理论，研究内容为结构状态智慧感知、结构服役性能评估指标体系与标准、健康诊断理论、缺陷状态下服役性能的预知、局部损伤结构服役可靠度的退化机理与干预机制。 在以上两个关键科学问题研究的基础上，根据城市轨道交通地下结构服役特点，针对地下水赋存环境下的结构性能所处的不同状态开展结构智能自修复与自适应加固理论研究，建立健康服役机制和保障体系，变被动获取结构健康状态为主动控制服役性能，以解决地下结构损坏后极其难修的问题，因而第三个科学问题是地下水环境下的结构自修复机制与自适应控制理论，研究内容为适合于城市轨道交通环境特点的地下结构智能自修复基础理论、设计方法与服役性能多尺度分析方法及基于性能退化的自适应加固理论，结构健康服役智能服务机制和数字化保障体系。 关键科学问题的内涵 本项目以城市轨道交通地下结构健康服役为目标，紧密围绕城市轨道交通地下结构性能的演化、评估预知和控制三个基础科学问题，从多学科交叉的视角开展系统研究，揭示城市轨道交通地下结构性能演化机制，建立城市轨道交通地下结构性能评估预知与控制的系统科学理论。本项目拟解决的三个科学问题的内涵具体如下： 科学问题一：动态时空环境效应下的地下结构性能演化机理 城市轨道交通地下结构广泛采用混凝土结构，其结构形式多样，包括管片与螺栓连接的拼装式结构、预浇的沉管结构、现浇的衬砌结构等，在服役过程中长期处于复杂的物理—化学—力学条件下，各种内外环境均会对城市轨道交通地下结构的材料性能和全寿命产生重要的影响，例如，在轨道交通低频周期
桥梁结构动力特性分析
桥梁结构动力特性分析 桥梁结构是城市交通建设中必不可少的重要组成部分。为了确保桥 梁的安全性和可靠性，在设计和施工过程中，必须对桥梁的动力特性 进行充分的分析。本文将对桥梁结构的动力特性进行详细讨论，包括 桥梁结构的固有频率、自由振动、强迫振动以及可能引起的共振现象等。 一、固有频率 固有频率是指桥梁结构在没有外力作用的情况下，自身固有特性所 具有的振动频率。桥梁结构的固有频率是通过结构的质量、刚度和几 何尺寸来确定的。一般来说，桥梁的固有频率越高，结构的刚度越大，相应地，结构的稳定性和抗风、抗震能力也会更高。 二、自由振动 自由振动是指桥梁结构在受到外力激励之前的自由振动行为。当桥 梁结构受到外力干扰后，会出现固有频率下的自由振动。自由振动是 桥梁在没有外力干扰下的自然振动，也是研究桥梁动力特性的重要基础。 三、强迫振动 强迫振动是指桥梁结构在受到外力激励时的振动行为。在桥梁的正 常使用过程中，会受到行车荷载、风力、地震等各种外力的作用，从 而引起结构的强迫振动。通过对桥梁结构的强迫振动进行分析，可以 评估结构的动力响应和力学性能。
四、共振现象 共振是指外力激励频率与桥梁结构的固有频率非常接近，从而导致 结构发生巨大振幅的现象。共振是桥梁结构动力特性中非常重要和危 险的现象，因为共振会导致结构的破坏和失效。因此，在桥梁设计和 施工过程中，必须避免共振的发生。 五、动力特性分析方法 为了分析桥梁结构的动力特性，工程师们可以采用多种分析方法。 常见的方法包括模态分析、频率响应分析和时程分析等。模态分析是 通过计算桥梁结构的固有振型和固有频率来进行分析，可以预测结构 在不同固有频率下的振动情况。频率响应分析是通过施加频率变化的 外力激励，来分析桥梁结构的响应情况。时程分析是通过实测或模拟 不同的时间历程，来研究桥梁结构在动力加载下的响应和变形情况。 六、桥梁结构动力特性在实际工程中的应用 在实际桥梁工程中，准确分析桥梁结构的动力特性对于设计和施工 至关重要。首先，通过分析桥梁的固有频率和自由振动，可以确定结 构的稳定性和抗风、抗震能力。其次，通过分析桥梁的强迫振动，可 以评估结构的动力响应和力学性能，从而确保桥梁的安全运行。此外，对于新建桥梁，还需要通过分析共振现象来避免结构的失效。 总结： 桥梁结构的动力特性分析对于确保桥梁的安全性和可靠性具有重要 意义。通过对固有频率、自由振动、强迫振动和共振现象的分析，能
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模态分析是桥梁结构动力学分析中的一种重要方法，它可以确定桥梁的振动模态和相应的频率。通过模态分析，工程师可以评估桥梁结构的稳定性和安全性，为桥梁设计提供参考。 二、桥梁结构动力学分析方法 桥梁结构的动力学分析方法主要包括实验方法和数值模拟方法。实验方法通过实际测试桥梁的振动响应来获取动力学特性，而数值模拟方法则通过建立数学模型来推导解析解或使用计算机进行仿真计算。 1.实验方法 实验方法是研究桥梁结构动力学特性的常用手段之一。常用的实验方法包括悬索式振动台试验、振动台试验和现场振动试验等。实验方法能够直接获取桥梁的振动响应，但需要一定的实验设备和条件，并且费时费力。 2.数值模拟方法 数值模拟方法通过建立桥梁的数学模型，将其转化为动力学方程，并通过数值方法求解得到桥梁的动力学特性。数值模拟方法具有模型建立简便、成本相对较低、计算速度快等优点。常用的数值模拟方法包括有限元方法、边界元方法和模型试验等。 三、桥梁结构动力学设计考虑因素 在桥梁结构动力学设计时，需要考虑多种因素，以确保桥梁的安全和可持续使用。
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在进行桥梁结构的动力特性分析时，需要准确输入结构的几何形状、材料参数、边界条件和加载情况等参数。同时，还需要借助一些专业 的分析工具和软件，如有限元软件、动力分析软件等，来完成复杂的 计算和分析工作。 二、桥梁结构动力特性实践案例分析 1. 桥梁结构在地震作用下的动力特性 地震是桥梁结构最常见的激励源之一，对桥梁结构的动力特性有着 显著的影响。在实践中，我们通常通过分析地震动力学响应谱、地震 时程分析等方法来评估桥梁结构在地震中的动力反应。以某高速公路 桥梁为例，我们利用有限元软件进行模态分析，确定了桥梁主要的振 型和固有频率，并结合地震动力学响应谱，得出了结构在不同地震等 级下的地震反应。 2. 桥梁结构在风荷载下的动力特性 风荷载对桥梁结构的影响同样不可忽视。在实践中，我们可以通过 风洞试验、数值模拟和频率响应分析等方法来研究桥梁在风荷载下的 动力特性。以一座大型斜拉桥为例，我们采用风洞试验和有限元模型，分析了桥梁在各种风速条件下的振动响应和结构的疲劳性能，从而为 设计防风措施提供了科学依据。 3. 桥梁结构的主动与被动控制 除了 passsive 控制措施，桥梁结构的主动控制（如主动振动控制、 主动杆截面控制等）也引起了广泛的研究兴趣。通过激励反馈和结构
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对于大跨度斜拉桥，由于上部结构反力过大，支座构造复杂，制作困难，且动力特性欠佳，不利于抗震、抗风，故不宜采用。 3、塔、梁、墩固结体系采用这种体系，能克服上述大吨位支座的制造困难并提供稳定的施工条件，宜用于独塔斜拉桥的设计。但其动力性能差，在窄桥情况下尤其严重。为克服体系温度应力影响，双塔情况下，通常在中跨设挂孔或铰，但不利于养护及行车舒适性。在边孔高度不大及不影响通航情况下，布置辅助墩对改善结构受力状态、增加施工期安全均十分有利，并可大大提高全桥刚度。辅助墩位置由跨中挠度影响线确定，同时亦要兼顾索距及施工需要，辅助墩数量应综合考虑技术需要以及全桥整体经济效益。 二、斜拉桥有限元模型的建立及其动力特性 1、主桥设计概况 该桥为双塔斜拉桥，墩、塔、梁固结，跨径组成为150+300+l50m.其中15om边跨、30Om主跨梁均为预应力混凝土箱梁。桥塔采用塔高132m边跨混凝土箱梁侧、主跨箱梁侧均为双索面。 主梁采用预应力混凝土结构，混凝土强度为C60 级；主梁高 3.500m,双向横坡2%总宽30m顶板厚30m横隔板间距3.00m、2.50m,横隔板板厚14cm（索处）、12cm（非拉索处）、16cm（支座处）。斜拉桥混凝土箱梁：主梁采用边箱分离式混凝土箱梁, 混凝土强度为C60 级。 斜拉桥桥塔：主塔全高132m桥面以上塔高72m桥面以下塔30m主
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要求高，频域分析和时域分析则对信号的采集和噪声处理要求较高。因此，针对不同的情况需要选择合适的损伤识别方法。 随着科技的不断发展，桥梁结构损伤识别也将迎来更多的发展机遇。随着传感器技术和数据采集技术的发展，将会有更加准确和实时的损伤识别方法。同时，随着计算机性能的提高和人工智能技术的发展，将会有更加高效和准确的损伤识别算法。基于深度学习等技术，可以建立更加精细和复杂的桥梁结构损伤模型，提高损伤识别的准确性和鲁棒性。另外，可以通过多学科交叉，将生物学、化学等其他领域的技术与损伤识别相结合，开拓新的研究方向。例如，生物学中的细胞损伤识别方法可以应用于桥梁结构的损伤识别中，化学中的物质损伤识别方法也可以与桥梁结构损伤识别相结合。 在应用方面，未来桥梁结构损伤识别技术将更加注重实际应用。一方面，需要建立完善的桥梁健康监测系统，对桥梁进行全面、实时地监测，及时发现并评估桥梁的损伤情况。另一方面，需要将损伤识别技术应用于桥梁设计、施工和运维等各个环节，提高桥梁工程的安全性和耐久性。 本文介绍了桥梁结构损伤识别的研究现状和展望。目前，基于模型和信号处理方法的损伤识别技术都得到了广泛的应用，但还存在一些问
高速铁路无砟轨道砂浆层病害联合检测模型试验
高速铁路无砟轨道砂浆层病害联合检测 模型试验 摘要：无砟轨道在我国应用广泛，但随着我国高速铁路的快速发展，行车速度越来越快，各部件的变形失效明显加快，轮轨系统的动力作用也越来越明显，在列车长期循环荷载和混凝土桥梁收缩徐变等作用下产生的桥墩变形和梁体结构变形、砂浆损伤、板端上拱变形等典型病害引起无砟轨道系统出现局部脱空，严重影响了无砟轨道系统的动力特性。本文对高速铁路无砟轨道砂浆层病害联合检测模型进行分析，以供参考。 关键词：无砟轨道；联合检测；探地雷达；模型试验 引言 较之于有砟轨道，无砟轨道安全舒适、易维护、设计周期长，能大幅度提升列车速度，在中国高速铁路中应用广泛。ＣＲＴＳⅠ型和ＣＲＴＳⅡ型板式无砟轨道均有ＣＡ砂浆层作为功能层，对温度变化敏感，且耐久性差，是无砟轨道结构中的薄弱位置。 1概述 城市轨道交通具有安全、快捷、准时、大运能、绿色环保等突出特点，已成为现代城市交通运输的主体。基于减振降噪的环境理念采用减振板式无砟轨道，由于自密实混凝土（Self-compacting－concrete）自流平、高耐久、性价比高等优点，已在地铁减振板式无砟轨道结构中被广泛用作充填层材料，其性能对轨道结构平顺性、安全性、耐久性等具有关键影响作用。板式无砟轨道结构的竖向多层和封闭模腔灌注等施工工艺特点，易导致板下SCC充填层出现不同类型与程度的施工缺陷，比如泡孔、离缝和脱空等，而由于板式无砟轨道的这种叠层复合结构特性，这些隐蔽性缺陷往往难以被发现，如不及时定位诊治，将会影响轨道结构稳定性和耐久性，造成安全隐患。目前板式无砟轨道SCC层缺陷现场检测方
法主要为人工目测、钢尺插入法量测和现场揭板试验，该类方法存在效率低、主 观性强、以点概面、费时费力等弊端,不利于缺陷的快速高效检测。近年来，混 凝土缺陷的无损检测已引起众多学者关注，超声波法在混凝土缺陷的无损检测中 应用广泛，但超声波法测试时需要两个测试面放置换能器，而板式无砟轨道只能 在轨道板上方提供一个测试面，因此超声波法不适于无砟轨道层间缺陷的检测； 采用冲击回波法检测了CRTSⅢ型板式无砟轨道的离缝，冲击回波法本质上是基于 介质声阻抗的差异识别内部缺陷，而该地铁板式无砟轨道的减振层声阻抗较大， 冲击回波无法有效识别SCC层的缺陷；声发射检测技术主要用于检测裂纹和混凝 土材料性能，但目前对混凝土材料损伤的声发射机理研究尚不全面，用于表征混 凝土破坏模式的声发射参数尚不成熟；采用红外热成像技术对轨道板表面裂缝进 行了无损检测，但该技术难以识别内部隐蔽性缺陷，且受环境影响较大，检测精 度不足；采用地质雷达法对板式无砟轨道离缝进行了检测，发现双层钢筋对电磁 波信号干扰较大，无法有效辨识。导纳法通过瞬态冲击响应来进行无损检测，大 都基于桩基或CA砂浆层的病害检测，目前尚无针对地铁减振板式无砟轨道自密 实混凝土充填层缺陷的检测研究，其可靠性以及有效性有待深入研究。由于导纳 法对检测环境要求不高，适合对钢筋混凝土结构进行单一面检测，且不受磁场干扰，从而为板式无砟轨道层间缺陷的检测和识别提供了便利。 2结构组成 在城市轨道交通对减振性能的要求较高时，通过在混凝土层下方设置减振垫 层可以有效提高施工质量。连续结构无砟轨道在使用中会受到温度荷载的影响， 而分块结构的轨道设计方式能够在温度变化后从轨道板两端释放温度应力，降低 温度带来的影响。因此，开展无砟轨道施工时，需要结合城市轨道交通的实际需求，选择结构更加合理的无砟轨道形式，以此使轨道质量得到保障。由于无砟轨 道的整体维修工作量相对较少，因此，无砟轨道可以看作保证城市轨道交通准点 运行的关键。 3有限元程序设计与开发 此模块为有限元计算的核心，接收前处理模块整理后的数据，实例化节点类，再以节点类为基础，结合材料参数实例化单元类。其中节点类储存了节点的节点
斜拉桥损伤识别时柔度差法的运用
斜拉桥损伤识别时柔度差法的运用 摘要：随着城市建设的逐步发展，桥梁损伤识别越来越得到重视。不管是提前预警还是灾后评估，通过数据分析人们能够了解结构的现状服役情况，对桥梁进行损伤识别，并进行加固或者维护等一系列的工作。柔度差法是结构损伤识别方法之一，它能充分地识别出桥梁的损伤，因此是实桥监测的重要手段。 标签：斜拉桥;柔度差法;损伤识别+ 1 理论支持 桥梁损伤识别中一般来讲存在着静力参数识别法、动力参数识别法和基于智能算法的识别方法。柔度差法是根据结构柔度矩阵的差值来进行的损伤识别方法，也是动力参数识别法中常见的一种方法。我们根据损伤前后的两个差值柔度矩阵，求出其各列中的最大元素，这样就可以找出损伤的位置。 通过大量的文献资料，我们可以清楚地知道：柔度矩阵与频率平方成反比，对角元素对结构的刚度变化是比较敏感。损伤指标由柔度矩阵对角元素的变化来得出，并通过该指标来识别结构中可能发生的损伤，即： （1） 因此我们只需得到Diag（△Γ），即能够对结构损伤进行识别。 2 实桥损伤识别 工程实例为某斜拉桥，该桥为双塔双索面预应力混凝土半漂浮体系。斜拉桥全长853米，主跨450米。主桥采用纵向弹性半漂浮体系。文章运用MIDASCIVIL 软件对实桥进行模拟，并且假想斜拉桥主梁三种损伤情况进行损伤识别及分析。（图1） 通过有限元分析，我们选取斜拉桥的前6阶振型，综合进行结构的损伤识别研究。 一般大型桥梁，我们设置的监测点是有限的，所以能测到的模态参数是十分有限的，我们通过前面有限元分析得出的动力特性来获得柔度矩阵，并进一步对结构进行损伤识别。 情况一：斜拉桥一处损伤，单侧边跨跨中减小刚度25%，根据动力特性分析。 情况二：斜拉桥一处损伤，主跨跨中分别减小15%、25%和50%不同刚度，根据桥梁不同损伤情况分析。
损伤识别
桥梁结构损伤识别研究综述 摘要：首先阐述了桥梁结构损伤识别在桥梁结构中的重要性，介绍了国内外桥梁结构损伤识别研究现状，在此基础上，又介绍了用于桥梁结构的各种损伤识别方法和存在的问题，最后提出了桥梁结构损伤识别的发展方向。 关键词：损伤识别，桥梁结构，神经网络，曲率模态 引言 桥梁结构在长期使用过程中会发生各种损伤，导致桥梁结构的承载能力的降低，甚至会导致桥梁的倒塌，造成巨大的经济损失和人员伤亡。为了保证桥梁的安全性，需要及时的发现桥梁结构存在的损伤情况。目前，桥梁结构损伤识别已经成为国内外研究的热点。 1 国内外桥梁结构损伤识别研究现状 损伤识别最早用在航天及机械领域并得到了广泛的研究，在健康监测引起普遍关注的同时被应用在桥梁领域。鉴于桥梁所处环境的复杂性及结构特性的随机性，桥梁的损伤识别目前还没有一个统一的标准或准则参考，实际的应用也较少，但还是取得了一些成就。 自70年代以来，随着振动测试和分析技术的发展，国际上广泛开展了应用振动技术对机器设备与工程结构进行损伤识别和监测的研究。近年来，国外学者在利用振动模态分析理论进行结构损伤识别方面开展了大量的研究工作，提出了各种各样的识别方法。早期，主要是以Vandiver和Begg[9]等的研究工作为基础，根据模态频率的变化来探测桥梁结构的损伤。Spyrakos[5]进行了一系列的桥梁模型试验，分别测试了模型梁在不同类型、位置和程度损伤条件下的低频自振特性，发现一定水平的损伤与结构动态特性有确定的相关性，但是仅用频率改变作为结构损伤因子是不充分的。Aktan等则从结构静力柔度阵出发，根据桥梁载重汽车静力测试结果，通过对比观测模态柔度和静力测试柔度，评估了模态柔度作为损伤指针的可靠性。除了这些较为零星的工作以外，美国通过I-40桥梁项目和Alamosa峡谷项目，对桥粱健康诊断中的结构损伤识别方法进行了系统的研究，试验结果表明振型关于结构损伤识别伤较为敏感。Stubbs等[8]也对I-40桥进行了损伤识别的研究，利用振型曲率计算了结构局部应变能，通过应变能的改变来识别桥梁的损伤。这种算法能在未知结构材料特性的条件下，进行结构损伤定位。Farrar和Jauregui仍然以I-40桥为研究对象，认为振型数据对损伤定位和定量的研究更加有用。同时，运用神经网络进行损伤识别的方法也被推广到桥梁工程中。1997年worden用神经网络作为自联想器来对结构进行异常检测，并提出了自联想器的形成、异常指标、模式识别的特征及学习方法。 国内对结构损伤识别问题也开展了大量的研究工作。关于结构损伤识别，袁万城等[10]将其分为模型修正法和指纹分析法两大类。模型修正法主要用试验结构的振动反应记录与原先的模型计算结果进行综合比较，利用直接或间接测知的模态参数、加速度时程记录、频率响应函数等，通过条件优化约束，不断地修正模型中的刚度分布，从而得到结构刚度变化的信息，实现结构的损伤判别与定位。秦权等以香港青马大桥为背景，对桥梁健康监测中的模态识别、损伤识别、传感器优化布置和误差分析等问题进行了研究，为青马大桥健康诊断系统的实现提供了一定的理论依据。 2 桥梁结构损伤识别方法 损伤识别是基于结构振动的损伤识别方法，其基本原理是结构模态参数（固
桥梁结构的损伤现代检测与评估
桥梁结构的损伤现代检测与评估 近年来,随着交通事业的发展,桥梁的重要性与日俱增,但随着汽车交通量增大、重车交通增加及桥梁所处环境受人为外力及自然灾害的影响,使得现役桥梁劣化程度比较严重。为保证这些桥梁的功能性及安全性,需对其健康状况进行损伤检测及安全评估。 1 公路桥梁损伤检测方法 近几十年来,针对不同类型的新旧桥梁损伤和老化现象,国内外桥梁研究人员提出了各种各样的检测方法。大体上说,目前桥梁结构损伤检测分为局部检测法和整体检测法。 1.1 局部检测技术 局部检测技术是对结构目标部位进行集中重点的检查,一般以无损检测技术为工具,主要用于探测结构的局部损伤,可较精确地对结构缺陷部位进行定位、探查,甚至定量分析。下面重点介绍下无损检测技术： 传统的无损检测(Nondestructive Evaluation,NDE)技术得到了较大发展,目前已有超声检测、红外检测、声发射、自然电位检测、冲击回波检测、磁试验、r或x射线检测、光干涉、脉冲雷达、振动试验分析等数十种之多。除振动试验分析法以外,多数无损检测技术属于局部检测方法。某些无损检测技术应用桥梁结构上还存在着一些不利因素,如r或x射线检测法只能检测一定厚度范围内的混凝土,对检测空间有一定要求,且有一定的放射性危险;超声检测虽然对钢结构检测效果较好,但对混凝土类各向异性材料的检测不够准确,检测设备成本较高;红外检测法可远距、快速的进行检测诊断,但检测成本较高且对交通流量有影响。局部检测方法需要人工作地毯式搜索,虽较费时费力且可靠性差,但对于量大面广的中小桥梁来说,从技术、经济上考虑,人工检测仍然是一种重要的比较现实的技术管理手段。今后的方向是扩大先进检测技术的应用范围,并积极研究、应用小型的自动化程度较高的检测仪器。传统的检测方法一般可以对桥梁的外观及部分结构特性进行监测,对桥梁局部关键结构构件、节点可以进行较为合理的损伤判断,然而难以全面反映桥梁的整体健康状况,对于桥梁结构的安全程度、剩余寿命难以作出系统的评估。国内外学者普遍认同并致力于研究的无损检测方法是结合系统识别、振动理论、振动测试技术、信号采集等跨学科技术的试验模态分析法。目前,该整体检测技术在一些局部范围内取得了积极的效果。一种比较现实的损伤检测测方法可能是综合整体损伤定位与局部细化检测两种手段的技术。 1.2 整体检测技术
城市轨道交通运营期桥梁动载试验实施与分析
城市轨道交通运营期桥梁动载试验实施与分 析
摘要：城市轨道交通桥梁动载试验是基于桥梁变形、应变等实时量测,分析桥梁结构性能, 评估结构安全、预防结构倒塌等重大安全事故。本文通过某城市轨道交通运营期桥梁动载试验,探究动载测试项目,分析动载检测数据,评估运营桥梁状态并针对性进行维养。 关键词：城市轨道交通桥梁运营期动载试验 引言：桥梁施工经济、快速，是城市轨道交通尤其市域线、远郊线主体结构的重要组成部分，在北京、上海、广州、深圳、重庆等各大城市地铁中广泛采用。随着使用年限增长, 桥梁劣化出现病害, 对结构运营安全造成潜在危害。而城市轨道交通桥梁列车频次高、车—轨—桥相互作用力大，夜间作业时间短等特点，决定了其检测与评估须专项制定与组织。动载试验可分析桥梁结构工作性能，又能最大限度地保持正常运营少受干扰。利用列车行驶中桥梁结构的振动与变形，从宏观判断桥梁结构的整体刚度、动力响应以及运营性能，是适用于轨道交通桥梁检测与评估的有效手段。 1.城市轨道交通桥梁动载试验的目的 轨道交通高架桥荷载具有轮轨交通共有特征，即轴重、轴距有规律地排列及其对桥梁相对有规律地作用。桥梁在持续动荷载作用下的受力状态，其振动问题影响因素复杂，单纯理论分析难以匹配现场实际情况，需用理论和实测相结合的方法进行分析。而桥梁的动力特性是评定桥梁承载能力状态的重要参数。桥梁在实际列车动载作用下产生振动，测定桥梁结构的频率等固有参数以及动位移等动力响应参数的检验项目，从宏观判断桥梁结构的整体刚度、动力性能并合理评价。基于以上，桥梁动载试验检测就成为解决该问题必不可少的手段。 2.城市轨道交通桥梁动载试验的项目 动载主要测试车—轨—桥作用性能，测点应选取最不利桥联，在列车经过时检测桥梁的固有动力特性的参数及动力响应参数等, 并通过检测仪器全程记录检测全过程中数据。根据以上思路，确定检验的主要内容如下： 1.桥梁固有动力特性的检测参数：桥梁基频、振型、阻尼比，通过脉动测试进行测量。
大跨度四塔悬索桥动力特性参数敏感性分析
大跨度四塔悬索桥动力特性参数敏感性分析 王浩;杨敏;陶天友;李爱群 【摘要】为了深入研究大跨度多塔悬索桥的动力特性，基于 ANSYS 软件建立了某大跨度四塔悬索桥的三维有限元模型，采用 Block Lanczos 法进行模态分析，以获得该桥的自振频率和振型，并分析了主缆矢跨比、恒载集度、主梁刚度以及中塔刚度等结构关键参数对其动力特性的影响．结果表明：该桥基频为0．07171 Hz，对应振型为主梁一阶正对称侧弯；增大矢跨比有利于提高大桥颤振性能；随着恒载集度的增加，结构各阶自振频率均有不同程度的下降；增大主梁横向和扭转刚度可分别提高主梁侧弯和扭转频率，而增大主梁竖弯刚度对主梁竖弯频率影响较小；主梁一阶竖弯频率随着中塔纵向刚度的增大而显著提高．研究结果可为大跨度多塔悬索桥的结构设计与动力分析提供参考．%To investigate the dynamic characteristics of long-span multi-tower suspension bridges, the three-dimensional finite element model for a long-span quadruple-tower suspension bridge is es-tablished by ANSYS.Modal analysis is carried out by using the Block Lanczos method to obtain the natural frequencies and the mode shapes of the bridge.And the effects of the key structural parame-ters,including the sag-to-span ratio,the dead load,the stiffness of the main girder,and the rigidity of the mid-pylon,on the dynamic characteristics are analyzed.The results indicate that the funda-mental frequency of the bridge is 0.071 71 Hz and the corresponding vibration mode is the first sym-metric lateral bending mode of the main girder.The increase of the sag-to-span ratio can improve the flutter performance.With the increase of the dead load,the natural frequencies decrease with differ-
基于小波包能量谱的地铁隧道健康监测预警
基于小波包能量谱的地铁隧道健康监测预警 张凯南;张立茂;吴贤国;陈虹宇 【摘要】基于小波包变换对环境激励下的加速度响应信号进行分析,根据加速度响应信号的能量谱提出两种健康监测的预警指标,并采取统计小波包能量谱来研究小波包能量分布的收敛性,以确定损伤识别预警的基准阈值.以武汉地铁3号线王宗区间隧道运营阶段为背景,考虑到隧道内复杂环境引起的随机噪声对加速度响应信号损伤识别敏感性具有一定影响,提出一种基于小波包变换的多阈值去噪法,基本原理即对每个小波包分解系数选取合适的阈值准则并进行降噪处理.实际工程表明:10-1Hz以下加速度响应信号的信息均得到保存,在剔除噪声的同时有效保护各频段的有用信息,可用于实际工程信号降噪过程中;随着数据段数n的增加,预警指标能量改变偏差ED与能量变化方差EV趋于稳定,可以有效判断结构损伤的全过程变化,表明通过收敛值得到的预警阈值在实际应用中具有可行性. 【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2018(062)012 【总页数】6页(P130-135) 【关键词】地铁隧道;健康监测预警;小波包能量谱;加速度响应信号;小波包多阈值降噪 【作者】张凯南;张立茂;吴贤国;陈虹宇 【作者单位】华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;华中科技大学土木工程与力学学院,武汉430074;悉尼大学商学院,澳大利亚悉尼2006
【正文语种】中文 【中图分类】U455.43 近年来地下交通运输系统迅猛发展，作为重大地下工程和城市交通命脉重要组成部分，城市轨道交通地下结构的安全施工和健康运营对于城市正常运转至关重要[1]。一旦城市轨道交通的任一节点出现问题，将波及整个地铁网络，阻碍几百万乃至上千万人的出行，进而造成城市交通系统的瘫痪和恶劣的社会影响。一般情况下，地铁施工和运营期事故突发前，都会出现各种不同程度的结构破坏征兆。只要采取适当的检测和监测手段，就能避免事故的发生，将生命和财产的损失降到最低程度[2]。 隧道结构的健康监测的原理是基于采集隧道中关键部位的响应信号，来分析隧道运营中的健康状况。许多学者根据结构的振动响应信息，提出了不同的结构损伤研究方法，首先是基于结构响应的模态、频率动力特性的柔度法、模态曲率法和应变能法等[3]，其次是对响应信号提取、过滤、分解、分析的人工神经网络、傅里叶变 换以及小波包分析等[4]。因为小波包分析具有抗噪声污染能力强，从响应信号中 对时频分解提取微小异常特征的优点，对结构振动的响应进行小波包分析来衡量结构的健康状况是近些年热门的研究方向，Sun，Z等(2002)基于小波包变换对三跨连续梁的动力响应进行数值分析，利用响应信号提取小波包能量谱来构建损伤识别指标，得到了很高的辨识度[5]；Sun，Z等(2004)对钢悬臂梁进行损伤识别研究，利用连续测量的损伤指标的统计特性建立报警阈值，即使在高噪声下的响应信号也可以精确识别结构的损伤[6]；孙磊等(2012)将小波包分析运用于桥梁损伤识别中，对信号降噪、振动模态识别、健康状况识别以及损伤预警等方面进行研究[7]；严 平等(2012)结合模态应变能法与小波包分析构建损伤识别指标，可以有效识别损
基于模态应变能的结构损伤识别研究开题报告-总结
论文题目：基于应变模态分析和改进神经网络的结构损伤识别研究
损失，防止了桥梁垮塌等重大事故的发生，对保障桥梁的安全运营和延长桥梁的使用寿命起到了至关重要的作用。下文从损伤指标和损伤算法两方面介绍该课题的国内外研究现状，并描述出基于此研究方法的发展趋势。 2.1损伤指标 通过监测桥梁结构的固有频率、振型、应变模态、模态应变能等动力特性的变化，结合模态分析理论准确推断桥梁的健康状况，这些基于结构的动态特性的损伤识别方法都是国内外专家学者的研究对象。这些方法都需要外部荷载激发出结构的模态，然而不同的损伤识别方法的效率不同、精度不同，排除噪声干扰的能力也不同。接下来将会对上述方法逐一进行说明，基于固有频率变化的桥梁结构损伤监测识别方法适用于存在损伤、损伤量较大和桥型结构相对简单的桥梁结构进行损伤监测识别。由于在模拟和试验 中相对的结构自由度数和振型的个数不相同，即所测振型并不是有限元模型中完整的振型，从而增加了对桥梁结构损伤检测识别的误差，所以基于振型变化的桥梁结构损伤监测识别方法并非试验所需的理想理论方法。基于模态应变能的损伤识别方法，其原理是当结构中出现损伤时，其模态应变能会出现耗散。但是在进行基于模态应变能的损伤指标进行损伤识别，需要获取结构前几阶模态，倘若只单独使用某一阶模态，则不能分辨出模态节点附近的损伤，并且会受到噪声的影响而引起误判。而应变模态是一种固有的结构振动特性，将其作为损伤指标能够比较灵敏地识别出结构的局部损伤，尤其是模态 峰值附近范围内的损伤。 通过对几种损伤识别方法的对比分析，课题选用应变模态作为损伤指标。但是在桥梁健康监测中可识别获得的模态参数大多为位移模态，当结构中遇到应力集中或局部结构变动对变动区附近的结构产生影响时，通过位移模态并不能获得精确的结果，因此我们需要找到结构在动载作用下应变响应的分布规律即应变模态。获得应变模态的一种方 法是根据位移与应变之间的换算关系，将位移进行一阶求导从而获得应变模态，但这种微分过程将使误差进一步放大。因此，直接获取应变模态从而更精确地识别结构损伤和进行状态评估成为桥梁健康监测必然要解决的问题。本课题从应变模态的基本理论出发，对应变模态的理论推导方法进行研究，通过有限元方法、通过位移模态法、通过连续体的振动微分方程等进行推导，得出应变模态的理论计算公式。选择采用应变模态作为损伤指标，可以避免由位移到应变的微分过程产生的转换误差，还能增强对结构局部 损伤或变动区域的敏感性，这是其余模态参数所不具备的，李德葆和陆秋海在文献⑴
频谱分析在桥梁结构损伤识别中的应用
频谱分析在桥梁结构损伤识别中的应用作者：林洁琼谢长洲 来源：《西部交通科技》2020年第10期
摘要：文章基于頻谱分析在桥梁结构监控数据处理中的作用，通过建立简易连续梁模型，利用有限元分析得到结构在移动荷载作用下的加速度时域信号，并通过频谱分析软件获得频谱图，对频谱图上的频率点做统计分析，以判别结构是否发生损伤。这种频谱分析方法对结构损伤识别研究具有一定的理论价值。 关键词：结构损伤;不确定性;频谱分析;快速傅里叶变换 0 引言 结构产生不同程度的损伤往往是由于长期的疲劳以及外界的腐蚀，再加上一些自然灾害如火灾、地震、冰雪等作用引起的，导致结构的性能发生改变。随之而来的考验便是如何判断结构在损伤后的残存力和可靠性，从而决定是否对结构进行加固或继续使用，这也是近些年国内外学者们研究的热门课题。要解决这一问题，必须正确判断受损结构的实际状态。对结构检测的目标是确定或估计结构损伤的实际状态，保证结构的可靠度[1]。然而，当人们在未知损伤发生位置和损伤程度的情况下，更应该对结构进行整体和全面的检测，从而通过对获得的数据进行分析和诊断来判断结构的性能。于是，基于动力试验的损伤检测方法在结合了高效率、高精度的数字信号分析技术后，通过有限的测点信息能够较好地把握结构整体性，已经成为结构健康检测的重要手段[2]。这种对结构从动力特性的变化判断损伤的检测技术，是根据结构受损后其物理性能发生改变而导致其动力特性发生变化的原理进行的检测方法，这也是为了满足
当今实际工程结构尤其是复杂结构整体监测的需求而提出的一种新思路。采用动力试验损伤识别是指通过对结构进行的动力学试验，取得例如振型、频率、阻尼比等振动模态参数，根据获得的振动模态参数的变化来作为结构损伤与否的依据。前期多采用共振试验法进行结构系统的试验，但共振试验误差随其固有频率的密集性增加而增加，到了20世纪60、70年代，由于计算机技术和快速傅立叶变换在结构振动试验中的应用，使得频谱分析得以应用在结构的动力学试验中，更有利于辨识结构的动力特征[3]。 1 频谱分析在数据处理中的作用 结构发生损伤后，其物理特性发生变化，从而导致其动力特性的改变和结构动力响应的变化，提取结构损伤后其动力响应-加速度时域信号。从本质上讲，加速度时域信号是一种随机信号序列，选择什么样的方法和手段来处理这种随机信号，以便从中识别出有用的信号，这是十分重要的。目前，处理数据或信号的方法有很多，比如时-频分析、小波分析等，但最基本的还是频谱分析，不论是从实用性、有效性，还是从成熟度来说，频谱分析效果还是有目共睹的。频谱分析是基于傅立叶变换原理，并满足计算机计算的需求，把连续的傅立叶变换变成离散的傅立叶变换（DFT），但由于计算量太大，没有办法实时处理信号，而快速傅立叶变换（FFT）的出现解决了信号实时分析的困难，被检测的结构一旦有什么异常，只要对实时监控测量的数据进行精确的分析，就能根据分析结果判断结构是否有异常以及异常部位、异常原因和严重程度，从而根据结果对被检测对象采取相应的应对措施加以控制。 2 频谱分析在结构损伤识别中的应用 2.1 建立结构损伤模型 为了提取损伤结构在随机振动下的时域信号，建立一个两跨连续的板单元模型，分别通过板单元控制是否开裂来对比结构损伤前后的状态。模型拟定2跨40m的连续板，结构尺寸为L×B×H=（80×10×1）m，即板长80m，宽10m，厚度为1m，并采用离散裂缝模型[4]，来模拟板单元的裂缝。见图1和图2。 为了进行结构损伤识别，则需比较结构完整状态和损伤状态下的结构动力响应特性，需建立完整模型和损伤模型，损伤模型中又可根据损伤程度建立不同的模型。本文根据损伤程度建立无损伤模型、2m裂缝长度损伤模型及6m裂缝长度损伤模型，见表1。 2.2 带裂缝板在移动荷载作用下的频谱响应分析 建立模型后施加移动荷载，设移动速度为10m/s，结构在强迫振动下可获取其动力响应结果，即时间-加速度时程曲线，也就是通常所说的加速度时域信号（如图3所示）。