单片机开发,方案定制开发

单片机软硬件开发:0755-8398,9709

桥梁结构健康诊断暨灾变预警技术

时间:2013-03-21 21:19点击:
我国自二十世纪九十年代以来,高层建筑、大型公共建筑以及桥梁水坝等重大工程结构数量以几何级数快速增加。历史经验表明,大量工程结构集中建设后经过二、三十年的运行,工程结构的病害将集中展现。美国自二十世纪七十年代起桥梁维护费用呈几何级数增长;日本

前言

    我国自二十世纪九十年代以来,高层建筑、大型公共建筑以及桥梁水坝等重大工程结构数量以几何级数快速增加。历史经验表明,大量工程结构集中建设后经过二、三十年的运行,工程结构的病害将集中展现。美国自二十世纪七十年代起桥梁维护费用呈几何级数增长;日本1995年神户地震集中暴露了经济腾飞时期的大量工程结构的薄弱环节;我国工程结构病害暴露得相对更早些,近些年桥梁、房屋垮塌造成人员伤亡的消息不绝于耳,且逐年增多。及时准确地识别工程结构的损伤,对避免工程事故、保障财产和生命安全具有重要意义。结构损伤诊断是一个既古老又年轻的课题,传统损伤诊断方法主要依靠专业人员的个人经验,靠肉眼和简单的仪器装备对结构逐点查看,效率过低,难以适应大量结构损伤检测的需求。实际上,结构损伤诊断归根结底是一个结构力学问题。如果把结构看成“有生命”的系统,那么这个系统就有它自身固有的特性,该特性可以通过系统的输入、输出关系获得。结构受损后,其固有特性将发生改变,损伤诊断的目标恰恰是要把握这样的改变。在对结构进行损伤诊断时,结构的输入可以是人为施加的(已知),也可以是随机的(未知),但是结构的输出(结构响应)必须是已知的(通过测量获得)。通过结构响应推定系统特性,结合使用环境、服役历史,通过结构力学原理综合判定结构有无损伤或损伤程度。当前,结构损伤诊断的最大难点在于无法找到评判结构损伤与否的“健康基准”,这也是制约学科发展的瓶颈。通过统计健康人群的生理指标,医生可以容易地建立许多评价某一个体身体健康状况,比如血压、血脂等,而工程结构不具有群体性,统计方法无效。

鉴于此,郭迅研究员与美国伊利诺大学Spenser教授(美国结构损伤诊断的带头人物)于2005年合作开展旨在建立结构损伤“健康基准”的研究,并获得科技部国际合作重大项目支持—重大结构健康诊断暨灾变预警系统研究(2006DFB71680)。研究取得了丰硕成果,目前已获得5项发明专利,在“健康基准”方面取得了突破。其中“对称信号法”针对桥梁结构中广泛存在的构件几何构造及边界条件相同的现象,指出各构件的振动信号应具有对称性,不符合该准则,就筛选出来作为损伤的候选者,这一方法对桁架桥、悬索桥、斜拉桥、系杆拱桥、带吊杆的中承式拱桥等结构构件损伤识别十分有效。

1 相关领域的研究现状

通过阅读大量的国内外相关文献,对本项目涉及的结构健康诊断方法以及相关测试计算有了一个全面的认识,并对该领域的研究方向有了一定的把握。

结构的损伤检测技术分为局部法和整体法两大类。局部损伤检测法,是指依靠成熟的无损检测技术来对某个特定的结构部件或部位进行集中检测,以此判断被检测部位是否发生损伤及损伤的原因。包括目测法、声学法、光学反射镜法、强度检测法、同位素法、染色渗透剂法、磁粉法、涡流法、泄漏检测法、超声波法、热学法、模式识别法、射线成像法、X射线法等。这一类技术在机械、航空航天、船舶和土木工程等领域有着广泛的应用,但在土木工程领域的应用受到了限制,其显著的不足在于仪器设备的价格昂贵,仪器操作者需要具备专门的技术知识,时间成本和人力成本很高,受限于设备的操作,对于无法接近及隐蔽的损伤部位,无法实施检测,不适于结构实时在线健康监测。

结构的整体损伤检测法依据测试数据的特征可分为静态检测法和基于振动测试的结构损伤识别法。静态检测方法是在实测结构整体的位移、应变、内力等反应数据的基础上,借助结构的分析获知结构与损伤相关的力学指标。静态检测所获的测量数据较为准确、可靠,但工作量巨大、试验成本高昂。相对而言,结构的振动测试要比静态测试容易得多。基于振动测试的结构损伤识别法的基本原理是结构的固有频率、模态振型、阻尼等结构动力参数是结构的刚度、质量、阻尼、边界约束等物理参量的函数,结构损伤引起的结构物理参量的变化将导致结构动力参数的改变,因此通过结构动力参数变化即可实现结构的损伤识别。目前,基于振动测试的损伤识别方法大体上可分成以下几种类型:基于固有模态频率的方法;基于模态振型及其衍生量的方法;基于神经网络、遗传算法等智能技术的方法;基于模型修正的方法;基于信号分析的方法等。

2 若干桥梁垮塌事故

 

对称信号法的提出及实施

“对称信号法”是本项研究的主要成果之一,2010年获国家发明专利。其基本原理为:对于由长细杆件组成的结构(如钢桁架结构、钢网架结构、斜拉桥、悬索桥等),结构中符合对称条件的杆件,假定同一时刻、在相同位置发生相同程度的损伤是小概率事件,则表征这些杆件工作状态的变形、位移或者频率等结构响应信息应该对称,否则,变形较大者或频率较低者存在损伤。简而言之,对称杆件应该有对称信号,否则可能存在损伤。

所谓“符合对称条件的杆件”指杆件间具有几何尺寸、材质、边界条件,受力状态相同。对称信号法提供了用于杆件损伤判断的一个健康基准。因为完全“对称”的杆件除了在空间位置上的不同外,其余的状态是相同的,杆件在完好的状态下应该表现出相同的力学性质。如果其中某个杆件发生了损伤,该杆件的动力特性必然改变,而与其对应的没有发生损伤的对称杆件的动力特性保持不变。采用对比法可以发现对称杆件之间在动力特性上的差别,即“信号不同者存在损伤”。

在对称信号法的具体实施中,在测试对象的选取、设备布置及数据的采集、数据处理、结构损伤评价各个工艺环节上都要符合对称、对等的原则。

测试对象的选取,必须依据对称信号法基本原理挑选满足对称条件的杆件作为结构损伤诊断的测试对象。设备布置及数据的采集过程中,由检测工作引入信号增量不应改变待测对象的“对称性”,也就是对测试对象作业时,引入的振动激励方式、试验仪器设备应该相同。尤其是传感器的型号要相同,固定在杆件上的相对位置要确定,拾振方向要一致。

数据处理时,用于损伤识别的振动信号在信号性质上、分辨率上应保持一致,否则不具对比性。结构损伤评价时,以“信号显著不同者存在损伤”作为结构损伤的判别依据,例如以频率为信号标识量时,对称杆件固有频率值应该相等,否则频率小者可能存在损伤。

图1是对称信号法实施准则的一则说明,图中为一个桁架结构的示意图,假设桁架仅承受自重荷载,则图中所示的几对杆件均符合“对称”的基本条件,可对其实施对称信号法。(a)图中的对称杆件在空间上关于立体桁架的中轴面对称,是两组空间对称的杆件,这样的杆件在一般的结构中很容易找到。(b)图中例举了四根杆件,这四根杆件两两间不具备空间对称的特征,但杆件的几何尺寸相同、材质相同、与结构主体连接方式相同,并且4根杆件都具有相同的应力状态,所以这四根杆件也构成一组对称杆件。(c)图说明在对每组对称杆件进行振动测试时,传感器均设置在杆件的长度方向的中心位置,从而保证引入传感器质量导致的信号增量不改变对称杆件的“对称性”,而且测试时传感器的型号要相同,拾振方向保持一致。

对称信号法的具体实施步骤如下(如图2所示):

(1)选取对称杆件。依据测试目标及结构特点选取满足“对称”条件的对称杆件 。

(2)布设传感器。一次或分批在每组杆件上布置传感器,传感器的布置需遵守对称原则。

(3)杆件激振及振动信号采集。通过合适激励方式使每组对称杆件产生程度相当的振动响应,每根杆件的振动信号由传感器传输至采集器。

(4)信息处理。通过信号处理技术获得用于杆件损伤判断的损伤标识量。例如获得每组对称杆中每根杆件的固有频率。

(5)损伤识别。对比表征每根杆件物理状态的损伤标识量。标识量存在显著差异者为损伤杆件。例如杆件损伤导致杆件的固有频率降低,通过对称杆件间频率值的对比可发现此差异,频率小者存在损伤。

对称信号法具有良好的工程实用前景。首先,对称信号法属于局部检测方法,对结构的局部损伤识别效果好,实测时传感器与测试杆件一一对应,在发现杆件损伤的同时也可指示出结构损伤的位置,杆件的损伤程度由杆件间损伤标识量的差值大小度量,并且对称杆件可互为健康基准,解决了结构健康基准缺失的难题。其次,对称信号法仅需利用局部杆件的低阶模态构造损伤标识指标,局部杆件的激振相对容易而且更易实现激励的标准化,这些工艺过程以目前的检测技术很容易实现。第三,较比传统局部损伤识别技术,对称信号法具有良好的经济性。

4 动静结合法的提出及实施

当结构的某类损伤可以用某个静力、动力参数明确指示时,通过建立静、动参数的数学关系的方法实现动力测试结果等效静力检测结果的效果,这是动静结合法进行结构损伤识别的基本思路。动静结合法依据的是广义的对称信号法基本原理,因此其适用对象也限制在具有“对称”特性的批量的梁式结构上,如空间尺寸相同的塔桅结构,多跨连续桥梁的某几跨桥段,同一个屋盖体系下的多榀排架等。

动静结合法的技术关键在于建立动、静参数的关联性。基于振动理论的损伤识别方法通常在忽略质量矩阵和阻尼矩阵变化的前提下考察结构刚度矩阵(柔度矩阵)中损伤单元的改变对结构模态参数的影响,因此实测所得的结构模态参数在宏观上是代表结构刚度矩阵(柔度矩阵)状态的标示量。实测的结构静力参数是反映结构宏观性态的刚度信息,二者在数值上建立联系在实用上具有一定意义。

动静结合法在实施检测时,需要获取可表征结构性态的静力参数和动力参数,工程应用中基于结构整体性态的静力检测通常是通过静力加载试验获取结构的刚度信息。工程结构在正常使用时应该保持在线性的工作状态,基于这种假设可以将静力加载试验所获的数据,回归成直线型的荷载——挠度曲线,这条直线的斜率即为结构的刚度。当条件允许时,可以直接将实验荷载施加到结构的设计荷载值,取得此时结构的最大挠度,以此挠度值与规范的限值进行对比即可确定结构的安全状态,这是以结构安全承载为尺度的健康诊断的基准。以此基准实施损伤诊断时有几个问题需要特别注意,首先,在施加试验荷载前结构已经发生了一定程度的初始挠度值。其次,试验荷载多数情况下无法正好加至设计的极限荷载,而且将试验荷载加至设计的极限值很多情况下也是不恰当的。图3所示的基于静力加载试验的结构安全评估图综合考虑上述问题。当结构的自重及测试时刻的负载已知时,便可依据所获的结构刚度估算出结构的初始挠度,如图细虚线所示。同理也可估算出最大负荷作用下,结构产生的挠度。当未超出规范规定的结构挠度限值时,说明结构承载安全。

 

动静结合法实施步骤和要点如下:

1、研判结构力学特性。结构的力学性能决定结构的测试方案,在充分考虑结构共性特点的情况下要全面衡量个别结构的特性,如变形能力、边界条件等,条件允许时可采用有限元数值模拟技术初步掌握结构力学特性。

2、确立测试方案。对满足广义对称条件且具有一定数量的梁式结构,选取其中几个结构作为样本,结合结构的力学特点设计静载加载方案和振动测试方案。     

3、实验实施。依据既定测试方案对一个样本进行静力和振动测试。实时获得表征结构状态的观测数据。

4、数据及信息处理。依据静力测试数据获得该样本结构的刚度信息,运用模态识别技术获得该样本结构相关的模态信息。

5、测试其余样本。重复3、4步骤。获得每个样本的刚度信息和模态信息。

6、建立动、静参数的数值关系式。依据采集到的样本静力及振动信息,按统计规律建立动、静参数之间的数值关系式。

7、剩余结构振动测试。对剩余的结构进行动力测试,获得所有结构的模态信息。依据动、静参数的数值关系,推算出结构的静力刚度。

8、研判结构的健康状态。以我国现行结构《规范》中相关条文中所规定的结构刚度限值为结构的健康准则。运用图1.3.1所示评估方法,判断所测结构在正常使用极限状态条件下的安全性能。动静结合法的工艺流程详见图4

 

顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------