基于阻尼特性的RC梁桥损伤识别与承载力快速评定方法

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截止到2012年底,我国公路桥梁总数己超过71万座,其中大多数为中小跨径钢筋混凝土梁桥。随着使用年限的增长,这些桥梁将会出现混凝土老化、钢筋锈蚀、钢材疲劳和预应力松弛等不良现象。由于使用环境复杂、车辆超载、设计或施工存在先天缺陷、建设管理与养护管理脱节和未能及时检测与加固等原因,近年来这类桥梁的坍塌事故时有发生。为了保证中小跨径混凝土梁桥的安全运营,研究其损伤识别和承载能力快速评估方法不仅具有重要的理论价值,而且具有重要的现实意义。  一方面,目前国内外学者提出的绝大部分结构损伤识别方法都是直接或间接基于损伤前后结构(无阻尼)模态参数的变化,如频率法、振型法、应变模态法等,但结构的损伤往往对低阶频率和振型均不敏感,故这些方法的准确性和实用性较差;另一方面,目前国内外桥梁承载力评定的主要手段多是基于静力荷载试验的承载能力评定法,不仅费时费力,而且需要中断交通,并且国内对于中小跨径混凝土梁桥多以常规外观检测为主,主观随意性较大,准确性较差。结构损伤后不仅其频率和振型会发生改变,其阻尼或耗能能力也会发生明显的变化,而这种变化可以方便地通过振动测试快速地得到。因此,本文基于结构损伤后阻尼或耗能能力的变化,对钢筋混凝土简支梁结构损伤识别和钢筋混凝土梁桥承载能力快速评估问题,进行了系统深入的理论分析和试验研究,主要的研究工作和成果包括以下几个方面。  1.钢筋混凝土结构阻尼比识别方法研究与识别精度影响因素分析。  简要阐述了钢筋混凝土结构阻尼的产生机理、基本理论和识别方法,提出了基于非线性最小二乘拟合法识别混凝土阻尼比的方法,数值模拟分析结果表明,该方法的精度高、鲁棒性好;根据钢筋混凝土梁试验数据,分析了激励力大小、传感器位置和激励位置对阻尼比识别精度的影响,明确了锤击法识别阻尼比的主要影响因素,并通过实测结构脉动响应,研究了基于环境振动的阻尼比测试方法,得出了在信号不平稳时自然激励技术优于随机减量技术的结论。  2.基于阻尼比和周期能耗率的钢筋混凝土梁损伤识别方法的试验研究。  1)选取了典型的矩形截面和公路简支梁桥中常见的T形截面钢筋混凝土梁,进行了静动力损伤试验和相应的数值模拟,结果表明,有限元数值模拟分析得到的静力位移反应和模态与试验结果基本一致,验证了试验结果的正确性;根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》计算试验梁的残余变形率,确定了试验梁的损伤程度;分别采用粘滞阻尼模型和库伦阻尼模型,分析了试验梁在各级损伤后的粘滞阻尼比和库仑阻尼比,结果表明,混凝土梁在弹性损伤时两种阻尼模型的阻尼比均随损伤程度的增加而增加,但在混凝土梁屈服后,残余变形率大幅增大,阻尼比随损伤程度的增加而减小,且阻尼比这一变化规律与截面形式无关。  2)假设单自由度非线性振动系统的总阻尼由粘滞阻尼和库仑阻尼两部分组成,得到了其自由振动的解析解,并据此对试验数据进行了阻尼参数分离和识别。结果表明,粘滞阻尼部分在损伤过程中变化较小,库仑阻尼部分在钢筋混凝土梁开裂后大幅增加,而在屈服后则明显减小,据此可以对钢筋混凝土梁的损伤程度进行识别或判断;认为钢筋混凝土梁开裂损伤后仅裂缝附近阻尼会产生明显变化,并据此提出了基于局部阻尼变化的损伤定位方法,进而通过试验数据验证了其适用性。  3)为降低阻尼比测量中噪声干扰的影响,提出了周期能耗率的概念和相应的钢筋混凝土梁损伤程度和位置的识别方法。试验结果表明,周期能耗率具有更好的抗噪性,且随钢筋混凝土梁损伤程度的变化规律与阻尼比的变化规律相同,即在弹性损伤时周期能耗率随损伤程度增加而增加,当梁屈服后则随损伤程度增加而减小。  3.基于测点加速度响应相关特性的损伤识别方法研究。  应用随机振动理论证明,结构加速度响应的相关特性包含结构的模态信息,且与结构损伤的程度和位置相关,故以加速度响应相关特性作为结构损伤指标,提出了基于BP神经网络的结构损伤程度和位置识别方法;有限元数值模拟分析和试验研究结果表明,基于加速度响应相关特性和BP神经网络的结构损伤识别方法可以较为准确地识别钢筋混凝土梁的损伤位置及损伤程度。  4.基于频率和阻尼比的公路RC简支梁桥承载能力快速评估方法研究。  采用跳车激振方法测试中小跨径钢筋混凝土梁桥频率时,车重与位置对桥梁频率的影响可能较为明显,因此依据本文试验结果和其他学者的试验结果,以及对我国部分公路混凝土简支梁的实测校验系数的统计,对《公路桥梁承载能力检测评定规程》的评估方法进行了频率评定标度修正;以修正的频率和阻尼比的变化率作为桥梁损伤评定标度,提出了基于频率和阻尼比的钢筋混凝土梁桥承载能力的快速评定方法,并通过实桥测试验证了该方法的有效性和准确性。
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