基于位移影响线的桥梁损伤识别及传感器优化布置研究

发布时间：2020-07-18 01:01

【摘要】：桥梁结构寿命周期内面临设计不足、施工缺陷、车辆超量、超载以及地震、冲击、腐蚀等诸多因素对性能削弱的影响,由此不可避免地积累损伤,及时发现和处理结构损伤对于延长桥梁使用寿命、保障人民生命和财产安全具有重要意义。目前常用的基于模态及其衍生指标的桥梁损伤识别方法主要采用单点激励、多点输出的方式来增加有用信息以满足损伤识别的需求。为解决信息不完备问题,另一思路是多点激励、单点输出的方式,即通过移动荷载下关键截面响应来反映结构整体受力性能并揭示某些局部突变现象。对承受移动荷载的桥梁而言,此类方法比多布测点更经济可行,且便于实际应用。因此,本文系统地研究了“基于位移影响线的桥梁损伤识别及传感器优化布置”这一问题,主要对基于车辆移动荷载作用下结构响应的位移影响线识别、基于位移影响线的损伤定位与定量以及基于位移影响线损伤灵敏度分析的传感器优化布置等三方面展开研究。本文提出一种基于三次B样条曲线的位移影响线Tikhonov正则化方法,该方法将结构位移响应、车速及轴距、轴重等信息作为输入,以三次B样条曲线约束待识别位移影响线。此后通过某四跨连续梁桥模型及室内试验对方法进行验证,结果表明所识别出的位移影响线与基准影响线吻合较好,且很好地满足了其光滑性的要求。系统地总结了四类基于位移影响线的损伤定位指标,针对这四类指标对小损伤不敏感的问题,提出一种基于位移影响线小波分析的损伤定位方法,并将影响线扩展到影响面,通过二维小波变换实现弹性薄板的损伤定位。数值算例结果表明,该方法能在不依赖结构健康状态的基准位移影响线条件下对于小损伤具有较好的定位效果。针对损伤程度量化问题,建立关于刚度改变矩阵、损伤系数矩阵与影响线变化向量之间的超静定矩阵方程,通过约束损伤系数范围对矩阵方程求解得出各单元损伤系数以实现基于位移影响线的损伤程度量化。通过简支梁、三跨连续梁模型以及试验模型对方法有效性进行了验证,并分析了多损伤、测点位置及数量、噪声等因素对损伤程度量化结果的影响。针对单一传感器检测损伤范围有限的问题,提出一种面向位移影响线损伤识别的传感器优化布置方法,该方法用损伤灵敏度矩阵构造出Fisher信息阵来计算各测点对损伤识别的贡献,并引入距离系数修正Fisher信息阵来解决测点间信息冗余问题。算例结果表明基于距离系数-影响线损伤敏感性的传感器布置方法优化后的传感器布置比距离系数修正前更分散,且均布置于对损伤识别贡献度较大节点处,其对应的损伤识别总体相对误差也明显更低。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U446
【图文】：

承重结构,桥梁,有限元模型,钢筋布置

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灰度图,小波系数,损伤位置

a) 损伤系数 α12=0.05 b) 损伤系数 α12=0.1图 3-11 小波系数灰度图为了进一步了解损伤位置变化对识别效果的影响，分别对有限元模型的 4、8、12、16、20、23 和 27 号单元设置 α=0.05 的损伤。重复前文所述流程，可得如图3-12 所示识别结果。图 3-12（a-g）说明了所有损伤位置均可被识别，此外，由锥形条纹的变化趋势可知当损伤位置越接近于传感器布置位置时锥形条纹更加明显，同时，4、27 号等支座附近单元损伤难以直观地判断。但考虑到信号奇异程度受噪声水平、损伤程度、测点与损伤位置间距离等多因素影响，因而难以对具体有效距离进行量化。由此可知，当待识别的桥梁跨径较大时，需要增加传感器数量以便更加准确、清晰地识别损伤位置。

【参考文献】