基于融合传递率与随机子空间法的车桥耦合桥梁检测方法初步研究

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中国,作为一个地大物博的华夏文明摇篮,其桥梁建设与发展历史同样源远流长。自桥梁大国转变到桥梁强国的同时,桥梁在役状态评估与后续运维保障逐渐成为专家学者的研究热点。基于目前桥梁数量庞大,其中老桥、危桥比重大,以及传统桥梁检测手段操作繁琐且不可转移、经济成本高的状况,亟待一种机动性强、安全性高、兼具经济适用的桥梁检测与评估方法。因此,不同于通过传感器直接采集桥梁结构振动信号,利用简单、轻便的媒介如测试车间接采集时程响应信号的检测技术应运而生,并通过该方法初步提取到桥频。现阶段的车桥耦合检测技术已不限于桥梁基频识别,并在其它桥梁模态参数的识别并进行后续损伤识别与桥梁结构状态评估等方面取得一定成果。本文在传统的车桥耦合检测方法基础之上,对特制检测车的运行方式做出调整,采用动力牵引车拖动已固定车间间距的两辆特制检测车沿布置的测点前进并静止停靠采集测点激励信号后,重复操作直至检测车通过全桥,利用检测车上获取的时程响应,基于两点间传递率特性,结合协方差驱动随机子空间方法识别桥跨模态振型并借此对桥梁健康状态进行快速评估。本文完成的主要工作以及研究成果概括如下:(1)基本理论部分,以双车-桥耦合模型为基础,推导桥上停驻的测试车与桥梁、以及测试车轮关联点三者之间的振动控制方程及时程响应关系,以此为基础从频域分析的角度推导桥体响应与车-桥关联点响应在连续相邻两测点的传递率表达式,验证构造桥梁全局一阶振型的可行性。同时在双车-桥耦合中引入随机子空间法识别桥梁的局部相对振型值,最后利用两点间传递率不受外激励和车桥阻尼影响的推论构造桥梁整体模态振型,并通过改进的直接刚度法计算梁截面抗弯刚度。最后,以流程图的形式总结从车体时程响应信号到截面抗弯刚度的车桥耦合桥梁检测方法的识别步骤。(2)数值模拟部分,对理论推导处总结的桥梁检测流程图逐步进行详细的模拟验证,而后探讨了直接量测法与本文提出的基于双车-桥耦合间接检测方法的时域信号、频域结果、振型及梁截面抗弯结果进行对比,模拟发现本文提出的新检测方法的上述识别结果接近直接量测法。另外,针对本文新方法在实际工程状况下的适用性。一方面,引入前处理的倍数修正方法和后处理的两步法进行数据修正和损伤识别结果优化;另一方面,以因素控制法探讨在车桥参数与各类实际环境外激励对损伤定位与桥梁模态参数识别的影响。结果表明,该方法对在上述参数与激励的影响下仍具备良好的鲁棒性,最后对支座损伤判别及高阶模态的提取进行了初步的数值模拟研究。(3)实桥试验部分,对本文所提出的新型间接量测法进行初步验证,采用特别设计的单轴检测车提取车体信号并成功通过车体信号反演车-桥关联点信号成功获取桥梁一阶频率和一阶模态振型,进一步利用改进直接刚度法识别测试待测桥梁第四跨的跨中挠度值以及节点刚度值进行桥梁健康状况监测与评估。
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