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。
高铁桥梁结构的抗震性能研究
高铁桥梁结构的抗震性能研究摘要：本文旨在研究高铁桥梁结构的抗震性能，以提高高铁系统的安全性和可靠性。
高铁桥梁是高铁线路中的重要组成部分，其抗震性能对于减少地震灾害可能造成的损失至关重要。
通过分析桥梁结构的动力响应和抗震设计方法，本研究旨在为高铁桥梁的抗震设计提供理论依据和工程指导。
关键词：高铁桥梁；抗震性能；动力响应；抗震设计引言高铁系统作为现代城市交通的关键组成部分，一直以来都在不断发展壮大。
高铁桥梁作为高铁线路的重要构成之一，在确保高铁系统安全、高效运行中发挥着不可或缺的作用。
然而，地震是一种自然灾害，可能对高铁桥梁结构造成严重威胁，对乘客的生命财产安全构成潜在风险。
因此，高铁桥梁结构的抗震性能研究至关重要。
本研究旨在深入探讨高铁桥梁结构的抗震性能，以提供理论支持和工程指导，以确保高铁系统的安全性和可靠性。
在引言部分，将介绍高铁桥梁抗震性能研究的背景和重要性，并概述本研究的主要目标和方法。
高铁桥梁作为高铁线路的关键组成部分，不仅需要承受列车的运行荷载，还需要应对地震等外部自然灾害的挑战。
在一些地震活跃地区，高铁桥梁的抗震性能尤为重要，因为它直接关系到高铁线路的安全性和可用性。
地震是一种瞬时而强烈的地球自然现象，可能引发地表振动，对桥梁结构造成不可忽视的影响。
高铁桥梁必须设计和建造成足够坚固，能够在地震发生时保持稳定，以防止崩塌或严重损坏。
因此，抗震性能研究对于确保高铁线路的可靠性和运行安全至关重要。
本研究将采用多种方法，包括结构建模、地震加载、动力响应分析、参数敏感性分析等，来深入研究高铁桥梁的抗震性能。
通过这些方法的应用，将获得有关高铁桥梁在地震作用下的振动特性、应力分布、结构参数的优化等重要信息。
这些信息将有助于指导高铁桥梁的抗震设计，提高其在地震发生时的安全性和可靠性。
方法为了研究高铁桥梁结构的抗震性能，采用了多种方法和步骤。
以下是用来研究和评估高铁桥梁抗震性能的方法：结构建模：首先，需要对高铁桥梁的结构进行精确的三维建模。
基于小波包分析的桥梁支座损伤识别试验研究
基于小波包分析的桥梁支座损伤识别试验研究郭健;裘力奇;张新军;江定宇;赵钦【摘要】针对连续梁桥支座易出现损伤破坏的常见病害,应用小波包分析来研究随机荷载下桥梁支座的损伤识别.介绍了小波包能量理论,并把小波包能量分析与测试信号的相关性分析相结合,构造了一种对支座参数变化敏感的损伤指标.以舟山跨海大桥中的梁桥动力特性为依据,设计并完成了桥梁支座损伤识别的模型试验,对比分析了自振频率与小波能量指标的敏感性,并验证了通过损伤支座附近测点信号的自相关函数,能够用所构造的损伤指标较好地识别出支座是否出现损伤.【期刊名称】《浙江工业大学学报》【年(卷),期】2016(044)006【总页数】4页(P695-698)【关键词】小波包分析;支座损伤识别;损伤指标;模型试验【作者】郭健;裘力奇;张新军;江定宇;赵钦【作者单位】浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310058;浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TU435在跨海越江桥梁的非通航孔区域及非主通航孔区域经常采用连续梁的桥梁结构形式.由于在桥梁运营过程中，这类桥梁易受到船舶撞击、重车过桥和地震等突加荷载的作用，出现损伤破坏，其中支座损伤是连续梁桥的常见病害.以往，人们发展了许多有用的桥梁损伤识别的方法，也对桥梁支座的可能出现的病害进行了损伤检测和基于动力参数的损伤识别研究.如：王辉[1]在基于模态参数损伤识别的理论上，提出了一种基于Fourier变换置信准则和模型修正理论的桥梁支座动力识别方法.乔振[2]基于桥梁振动理论，提出了运用频率变化率来检测桥梁支座病害的方法.尹强[3]对卡尔曼滤波和序贯非线性最小二乘法进行了研究后，提出了基于最优化方法的自适应追踪技术，在线识别了橡胶隔震支座和其结构的系统参数，从而判断结构损伤的发生.Doebling等[4]也在基于结构振动理论的基础上，提出了一种结构损伤识别的方法.这些研究主要是基于结构振动参数和频域分析来开展的，一般还需要获知外激励的大小.考虑到实际工程中，桥梁所承受的外荷载，即车辆等外激励荷载难以实时地精确测试，在随机荷载作用下，如何实现桥梁支座的的损伤识别显得尤为重要[5-6].这里尝试应用基于小波分析的方法来开展随机荷载激励下的桥梁支座损伤识别研究，利用小波包能量分析方法来研究连续梁桥损伤识别的敏感性参数和鲁棒性，并以舟山跨海大桥为工程背景，对非通航孔区的梁桥开展了模型试验研究，对不同的支座是否出现损伤进行了识别判断，获得了很好的效果.1.1 小波分析理论传统的傅里叶变换是一种纯频率的分析方法，无法在时域内有定位性，而由此改进的短时傅里叶变换固定了窗函数的形状，从而有了一定的时域特性分析能力[7-9].这里使用的小波变换依靠小波的伸缩平移，克服了傅里叶变换窗口形状固定性的缺点，是一种优秀的分析非稳态信号的数学工具.设ψ(t)∈L2(R)，其傅里叶变换为，当满足允许条件(完全重构条件或恒等分辨条件)，即其中ψ(t)为一个基本小波或母小波.将基小波ψ(t)平移和伸缩，得对于任意的函数f(t)∈L2(R)，其连续小波变换为重构公式为其中ψ(t)还应满足一般函数的约束条件为即.1.2 小波包节点能量分析小波变换在高频部分频域内，分辨率较低.小波包变换在在小波变换的基础上发展而来，较好的克服了这一缺点.对于一个时域信号函数S,其小波包变换[10]为式中：i，j，k分别为频程参数、尺度参数和平移参数；为小波包参数，即其中由母小波函数ψ经高通滤波器h(k)及低通滤波器g(k)逐次计算得到经过小波包变换，可以根据需要选取不同的小波包基，对含有稳态或者非稳态成分的信号进行不同尺度上的分解，从而得到不同的频率分辨率，具体过程如图1所示.如果信号S(t)的总能量为式中由式(8，9)及小波包函数的正交性，可得式中式(12,13)给出了不同尺度和频带上信号能量的分布特征[11].经过上述分析，可以通过小波包分析将一个桥梁动力测试信号进行由测试空间到特征空间的变换，并且通过将结构损伤特征以节点能量的形式提取，实现对于桥梁结构的损伤识别.理论上，结构动力响应的小波包能量谱可以表征结构的损伤状态，在外激励作用下，可以通过小波包能量分析来构造损伤识别的指标，其对外荷载具有鲁棒性，损伤识别的结构系统中不同测点处的自相关函数和互相关函数对系统输入激励的变化具有一定的独立性[12].因此,可依据测点数据的相关函数来进一步构造基于小波包能量的与外激励荷载无关的损伤指标，以此来更敏感和有效地提高对支座损伤识别能力. 首先定义物理量，即当Inu和Ind的值越大,则Edi中包含的结构损伤信息越多，表示该动力响应进行小波包能量分析能得到更精确的损伤判断，同时，Ediv值不宜太大，否则也会淹没结构损伤的信息.比较为理想的情况是，结构受桥梁日常运营的随机激励作用，即和值在较低的结构动力反应参数范围，而由构件损伤产生的Edi处于相对波动较大，小波包能量的损伤指标Inu和Ind就会对需要识别的损伤很敏感，这种情况正好是桥梁支座发生损伤的特征.因此，小波包能量变化的结构损伤识别对于支座损伤具有较高的实用价值[13].3.1 试验布置以浙江舟山跨海大桥中的连续梁桥动力特征进行三跨连续梁模型试验设计，来研究上面所构造的损伤指标在荷载作用下进行支座损伤识别的能力.试验模型如图2所示，试验梁长为0.791 m+1.418 m+0.791 m，采用截面为4 mm×60 mm的扁钢(Q235)，支座依次编号为A，B，C，D，全梁共分为27(7+13+7)个单元，在8和9单元相邻处施加瞬时冲击荷载来对结构输入外激励.在梁中4，16，25单元处采用压电式加速度传感器采集试验梁上的加速度信号.试验布置如图3所示，试验中根据实际桥梁常见支座病害来模拟损伤工况，支座损伤以模拟支座处构件连接松动，支撑弹性下降来模拟，研究目标就是要识别出支座发生了损伤.3.2 小波包能量与自振频率对损伤的敏感性对比通过测试，得到梁结构的前7阶自振频率.相对于无损结构，支座C和支座D发生损伤时，试验中在点4处测得加速度信号，结构前七阶频率的相对变化fd/fu(图4)；计算出该信号的自相关函数x4-4的小波包能量比，得到前7个能量比最大的频带上ed/eu的相对变化(图5).比较图4，5中自振频率和能量比的相对变化可以发现：支座C和D损伤前后的频率变化最大，只有7%左右，而x4-4的小波包能量比主成分的变化基本在15%～20%左右，最明显达到70%以上，较频率的变化要大得多，这证明了以小波包能量构造的损伤指标比以自振频率构造的损伤指标对于支座损伤的检测更为敏感.3.3 支座的损伤识别由于结构的对称性，主要考察支座C和D处的损伤与相关参数的关系.对8和9单元相邻处锤击5次，在每跨测得5组加速度信号.通过测量得到点4，16，25处的加速度a4，a16，a25，并以此计算出自相关函数x4-4，x16-16，x25-25和互相关函数x4-16，x4-25，x16-25，然后用coif 5小波函数对它们进行6层分解，分别计算出支座无损、支座C发生损伤和支座D发生损伤时的值，结果如图6，7所示.从图6，7可以看出：自相关函数计算出的Ediv值较互相关函数要小得多，说明它的一致性比互相关函数要好.同时，损伤指标对于损伤的敏感性与选取点有关，不同点与点之间得到的Ediv值和Edi值有一定差别，接近损伤部位的传感器信息变化会比较明显.综合考虑Inu值和Ind值对荷载的无关性和对损伤的敏感性，自相关函数具有明显优势.通过分析计算，结合自相关函数与互相关函数等指标来综合观察Ind与Inu是否有明显的相对变化，从而判定支座是否出现了损伤.研究了小波分析理论在桥梁支座损伤识别中的应用，结合结构动力响应的相关函数，构造了一种新的损伤指标.结合浙江舟山跨海大桥中连续梁桥的振动特性，设计并开展了支座损伤的模型试验研究，分析了各损伤指标识别支座损伤的敏感性，验证了基于小波包能量构造的损伤指标能够有效识别出桥梁支座是否发生了损伤，以便桥梁管理部门能及时发现支座损伤，采取进一步的支座病害巡检和维护.这是一种具有工程推广应用价值和非常有发展前途的损伤识别方法.【相关文献】[1] 王辉.基于动力响应的铁路桥梁橡胶支座病害评估方法研究[D].北京：北京交通大学，2014.[2] 乔振.基于固有频率变化率的桥梁支座病害识别技术的研究[D].南昌：华东交通大学，2014.[3] 尹强.非线性橡胶隔震结构参数识别与损伤诊断研究[D].南京：南京航空航天大学，2010.[4] DOEBLING W, FARRAR R, PRIME B.A summary review of vibration-based damage identification methods [J].The shock and vibration digest,1998,30(2):91-105.[5] LI Bing, CHEN Xuefeng.Wavelet-based numerical analysis: a review and classification [J]. Finite elements in analysis and design,2014,81:14-31.[6] 叶蔚嫦,蔡增伸,李文炳.基于ANSYS的桥梁橡胶支座测试系统刚度分析[J].浙江工业大学学报，2005,33(2):212-215.[7] LAW S S，WU S Q，SHI Z Y.Moving load and prestress identification using wavelet-based method [J].Journal of applied mechanics,2008,75(2):021014.[8] 廖锋峰，郭行波，刘文捷.基于小波变换的图像编码研究[J].浙江工业大学学报，2010，38(2):197-201.[9] 彭宏，韩露莎，王辉.基于小波变换与多帧平均法融合的背景提取[J].浙江工业大学学报，2013，41(2)：228-232.[10] 郭健，陈勇，孙炳楠.桥梁健康监测中损伤特征提取的小波包方法[J].浙江大学学报(工学版),2006,40(10):1767-1772.[11] HOU Z K.Wavelet-based approach for structural damage detection [J].Journal of engineering mechanics,2000,126(7):677-683.[12] MCGETRICK P J.A wavelet based drive-by bridge inspection system[R].Proceedings of the 7th International Conference of Bridge Maintenance, Safety and Management. Shanghai：Crc Press，2014.[13] 江定宇.大跨度桥梁的精细化损伤识别研究[D].杭州：浙江大学，2010.。
桥梁结构的动力学特性分析
桥梁结构的动力学特性分析桥梁是连接两个地理位置的重要交通设施，其稳定性和可靠性对交通运输的安全至关重要。
为确保桥梁结构的合理设计和使用，动力学特性分析是不可或缺的一项工作。
本文将对桥梁结构的动力学特性进行分析，并探讨其在桥梁工程中的应用。
1. 动力学特性的定义桥梁结构的动力学特性是指桥梁在受到外力作用下的运动规律和响应特性。
包括桥梁的固有频率、振型形态、自由振动和阻尼等内容。
通过分析桥梁的动力学特性，可以评估其抗风、抗震、抗振动等能力，为桥梁的设计、施工和维护提供依据。
2. 动力学特性分析的方法（1）模态分析：模态分析是一种常用的动力学特性分析方法，通过求解桥梁结构的振型形态和固有频率，得出结构的模态参数。
模态分析可以帮助设计师确定桥梁的固有振动频率，避免共振现象的发生，提高桥梁的稳定性。
（2）动力响应分析：动力响应分析是通过施加外力荷载，研究桥梁结构的动态响应行为。
通过对桥梁在不同荷载条件下的动态响应分析，可以评估桥梁的结构响应和变形情况，为桥梁结构的安全评估和设计提供依据。
3. 动力学特性分析的应用（1）抗风设计：桥梁结构在面对风荷载时容易发生振动，因此抗风设计是桥梁工程中的重要问题之一。
通过动力学特性分析，可以评估桥梁的固有振动频率和阻尼比，确定合理的抗风设计参数，提高桥梁的稳定性和抗风性能。
（2）抗震设计：地震是危及桥梁结构安全的主要自然灾害之一。
通过动力学特性分析，可以评估桥梁在地震作用下的动态响应和变形情况，确定合理的抗震设计参数，确保桥梁在地震中的安全性。
（3）振动控制：在某些情况下，桥梁的振动可能会对周围环境产生不利影响，如引起噪音、疲劳破坏等。
通过动力学特性分析，可以了解桥梁的振动特性，并采取相应的振动控制措施，降低桥梁振动对周围环境的影响。
总结：桥梁结构的动力学特性分析对于桥梁的设计、施工和维护具有重要意义。
通过分析桥梁的动力学特性，可以评估桥梁在受到外力作用下的响应和变形情况，为桥梁的抗风、抗震和抗振动设计提供依据。
城市轨道交通快线轮轨侧磨成因及防治
随着城 市轨道 交通 的迅 速发 展 ， 其是 尤 近几年 ， 一些速度 达到甚 至超过 １０ｋ ／ ０ ｍ ｈ轨 道 交通快 线 的投 入运 营 ， 小半 径 曲线 的钢 使
图 １ 典 型配 线 及 钢 轨 侧 磨 分 布 表 １ 轨 道 交通 快 线 侧 磨 － 隋况统 计
８ ｍ ｈ 铁车 辆 的一 系悬 挂 ， ０ｋ ／ 地 多采 用层 叠 式橡 胶结
构ｌ ， 图 ３ 示。 如 所
道 岔 导 曲 线 轨 距 加 宽 ５ｍｍ 仍
有 侧 磨
轨 距 加 宽不 是 主 要 因素
２ ）根据车辆动力学理论 ， 列车 的曲线通 过能力 可
该 工 程 轮 轨 踏 面硬 度 匹 配
车辆一系悬挂参数对于半径 ２ ０～ ５ Ｉ ０ ２ ０Ｔ 曲线的适应性 １
稍差 。
相关文献表 明 ， 车辆 一 系悬 挂 纵 向刚度对 于车辆 的曲线 通 过 性 能 影 响 较 大 ， 而 对 轮 轨 侧 磨 产 生 进
影 响［ 。
折 返 线 上 仅 折 返 道 岔 导 曲 线
项 目 ８ ｋ 雾勒
轮 对 质 量／ ｇ ｋ
轮 对 侧 滚 转 动 惯 量／ ｇ・ ｋ ｍ
轮 对 摇 头 转 动 惯 量／ ｇ・ｎ ｋ Ｉ
一
系垂 向刚 度／ ＭＮ ｍ） （ ／
一
系横 向刚 度／（ ／ ＭＮ ｍ） 系纵 向 刚度／（ ／ ＭＮ ｍ）
基 础 上 ， 一 系 纵 向 刚 度 调 整 为 ５Ｍ ／ 其 他 参 数 将 Ｎ ｍ，
不变。
３ ２ 计 算 结 果 ．
３种Ｔ况的轮轨侧磨评价参数见表 ４ 。
（） ａ 转臂 式结 构
大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断与防治关键技术
大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断与防治关键技术大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断与防治关键技术是指在大跨度桥梁结构受力作用下，结构构件出现的疲劳损伤和损坏的原因分析、诊断与防治的关键技术。
疲劳损伤不仅会导致桥梁结构整体稳定性的降低，还会影响桥梁使用寿命，甚至会造成局部损坏，危及行人和车辆安全，因此，对大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断与防治关键技术的研究具有重要的理论意义和现实意义。
一、大跨桥梁结构受力及其疲劳损伤1.1 大跨桥梁结构受力大跨桥梁结构受力时，受力点的位置可能出现很大的差异，桥梁结构的元力学特性也相应地发生变化，使得桥梁结构受力不均匀，受力点的位置变化，也将对桥梁结构的稳定性产生影响，易引发结构构件的损坏。
1.2 大跨桥梁结构疲劳损伤桥梁结构由于荷载的不断变化，结构构件在受力作用下，尤其是结构构件上许多细小的缺陷，就会带来疲劳损伤，从而影响桥梁整体稳定性，并且可能使桥梁结构损坏，造成局部损坏，危及行人和车辆的安全。
二、多因素耦合作用疲劳损伤诊断与防治2.1 疲劳损伤诊断疲劳损伤的诊断是针对大跨桥梁结构疲劳损伤的重要步骤，主要包括：检测桥梁结构中的疲劳损伤、诊断疲劳损伤的原因并确定疲劳损伤的位置、确定疲劳损伤的类型和严重程度、分析疲劳损伤的可能影响因素、制定相应的修复方案等。
2.2 多因素耦合作用疲劳损伤防治多因素耦合作用疲劳损伤的防治主要是针对大跨桥梁疲劳损伤的原因进行整改，根据疲劳损伤的位置、类型及严重程度，采取相应的技术措施，如改善桥梁设计、加固桥梁结构、更换桥梁结构构件等，以确保大跨度桥梁结构的安全使用。
三、大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断与防治关键技术3.1 诊断关键技术大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤精细诊断的关键技术包括：计算机辅助分析技术、精密检测技术、疲劳损伤模拟技术、数据挖掘技术等。
3.2 防治关键技术大跨桥梁多因素耦合作用疲劳损伤防治关键技术包括：结构加固技术、材料改性技术、保护层技术、复合材料技术等。
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。
桥梁结构基于动力特性的损伤诊断方法
足 ４个 基本 条件 ： １ （ ）对 局部损 伤 敏感 ， 为 结构 损 且 伤的单 调 函数 ； ２ （ ）具 有 明 确 的位 置 坐标 ； ３ （ ）在 损 伤 位置 ， 损伤标 识 量应 出现 明显 的峰 值 变化 ； ４ （ ）在 非损 伤位 置 ， 伤标 识 量 的 变 化 幅度 应 小 于 预先 设 损
行评估 引 ．
型 、 率等 ） 基 于结构 动力 学理论 ， 用多种 损伤识 频 ． 采 别量 ， 探讨 常用 的结构损 伤识 别方 法 ， 于结 构损伤 用
诊 断．
要有 效 地进 行 损 伤诊 断 ， 先 需 要解 决 损 伤表 首 示量 的选择 问题 ， 即决 定 以哪些 物 理 量 为 依据 能够 更好地 识别 和标 定 损 伤 的程 度 与方 位 ． 于损 伤 识 用
收稿 日期 ： ０ ７０ — ２ ０－４２
式 中 ［ 、 ］分别 为结构 的质 量矩 阵及 阻尼矩 阵 Ｍ］
｛ ｆ ） ｛ ｆ ） ｛ ｆ ） 别为加 速 度 矩 阵 、 Ｘ （） 、Ｘ （） 、Ｘ（） 分 速度 矩 阵及 动位移 矩阵
卢 永 飞 ， 彦 江 苏
（ 州 交 通 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 肃 兰州 ７ ０ ７ ） 兰 甘 ３ ０ ０
摘
要 ： 阐述 了基 于结 构动 力特性 的桥 梁损 伤诊 断基 本 原 理和 方 法 ， 比较 分析 了各 类损 伤诊 断方
法 的特 点及 适 用条件 ， 并指 出 了桥 梁结 构基 于动 力 特 性 的损 伤 诊 断 方 法和 进 一 步 需要 研 究 解 决的
Ｄａ ａ ｅ Ｉ ｅ ｉｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｉ ｇ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｄｙ ａ ｉ ｏ ｒ ｉ ｓ ｍ ｇ ｄ ｎｔｆｃ ｔｏ ｆＢｒ ｄ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｓ ｄ ｏ ｎ ｍ ｃ Ｐｒ ｐｅ ｔｅ
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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。