基于改进HHT的混凝土简支梁桥非线性损伤识别方法

发布时间：2020-03-29 23:10

【摘要】：我国中、小跨径混凝土简支梁桥量大面广,是我国公路运输的主力桥型之一。在初始缺陷、车辆荷载长期交变和突发事件过载的共同作用下,混凝土简支梁桥易出现开裂病害,影响结构的耐久性,并降低其承载能力。由于该类桥梁结构形式简单、数量众多,建立功能齐全的桥梁结构健康监测系统的可行性与经济性均较低。因此,在运营荷载作用下,如何简单、高效地实现裂缝的损伤识别是解决该类桥梁安全服役的核心问题。本文基于车桥耦合振动原理和呼吸裂缝刚度时变模型特点,以MATLAB为平台编制有限元程序,采用改进的HHT变换对动力响应信号进行时频分析,提出以能量为指标的裂缝损伤识别方法,采用一个传感器即可实现损伤状态、裂缝位置及程度的识别,为混凝土简支梁桥裂缝的识别提供了方法支撑。本文的主要研究内容及结论如下:(1)编制了含呼吸裂缝模型的车桥耦合振动有限元程序。采用四自由度半车模型和欧拉梁模型,通过车桥耦合系统振动原理将车辆与桥梁耦合,并在桥梁单元中融入呼吸裂缝模型。从基于曲率比和正弦函数的呼吸裂缝模型出发,推导了呼吸裂缝非线性刚度的一般表达式,对比了以上两种呼吸裂缝模型的计算流程、模拟效果,并选取精度较好的正弦函数呼吸裂缝模型进行车辆过桥过程中裂缝的模拟。(2)改进了HHT变换中的模态混叠和噪声残留问题。采用互补集合经验模态分解(CEEMD)改进传统经验模态分解(EMD)的模态混叠问题,并分析添加成对白噪音信号的幅值、次数对模态混叠、噪音残留问题的影响。分析结果表明,添加0.1倍白噪音、集成平均100次可同时较好解决模态混叠和噪声残留问题。(3)建立了运营状态下混凝土简支梁桥裂缝非线性损伤识别方法。采用CEEMD分析方法,结合相关度计算选取对损伤较为敏感的本征模态分量,采用HT变换计算车辆过桥的能量时程,然后通过损伤峰值的时间及幅值识别裂缝的位置和程度,从而构建了裂缝的非线性损伤识别方法。数值模拟算例表明,所提方法能准确识别裂缝的部位和损伤程度。(4)分析了简支梁裂缝非线性损伤识别方法在不同参数下的适用性。通过在模拟信号中添加白噪声模拟测试噪声,结果表明在5%的噪音下,结合小波阈值降噪方法可以实现裂缝位置的精细定位。对车辆参数对所提方法的影响进行了算例讨论,结果表明车重及车辆类型对所提方法没有影响,车速对损伤定位影响较小,对损伤程度识别影响较大,所提方法适用于低速运营条件。通过设置不同的多裂缝工况,表明所提方法可对多条裂缝实现精细定位。通过改变混凝土弹性模量模拟温度变化,表明温度对所提方法识别效果没有影响。
【图文】：

桥梁裂缝,病害

交变和突发事件过载的共同作用下，桥梁结构易出现各种损伤。随着损伤的不断积累和发展，将会降低结构承载力和耐久性，更严重者发生坍塌事故，，给国民经济和人身安全造成巨大损失和伤害。2011 年 7 月 14 日，福建武夷山公馆大桥坍塌，造成 1 人死亡，22 人受伤；2012 年 8 月 24 日，哈尔滨阳明滩大桥运营不足一年便发生垮塌，造成 3 人死亡 5 人受伤。因此，在桥梁设计及建设单位提高责任感的同时，建立长期的健康监测系统，对运营条件下的桥梁结构进行实时的损伤监控与安全评估极为重要。近三十年来，学术界及工程界共同推动了大型桥梁结构健康监测技术的发展，桥梁结构监测系统已经从学术科研阶段走向了工程应用实践，然现今监测系统及技术手段多关注大型复杂桥梁，我国建立监测系统的大型桥梁已超过 200 余座，涵盖斜拉桥、悬索桥、连续刚构桥等多种类型。截至 2015 年，我国中小跨径桥梁占比已超过 90%，其中混凝土梁式桥梁数量占绝对优势。混凝土梁式桥梁由于混凝土材料自身不可避免地含有初始微裂纹、施工现场质量相对钢结构更难控制以及超载、超流量现象较为普遍等因素，为数不少的混凝土梁式桥梁已出现病害。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U446

【参考文献】