基于模态柔度曲率改变率的桥梁结构损伤识别方法

在以往模态柔度损伤指标研究成果的基础上,提出模态柔度曲率改变率MFCI(aver)的结构损伤识别方法.该方法首先对损伤前后的模态柔度矩阵各列元素进行代数平均,将计算得到的平均值作为模态柔度向量{fu}和{fd}的元素,然后利用差分法求出模态柔度曲率,最后将损伤前后的模态柔度曲率差值按损伤前的模态柔度曲率值进行归一化,从而得到模态柔度曲率改变率指标.对简支梁和连续梁,采用MF,MFC,MFCI(aver),MFCI(max)4种结构损伤指标进行损伤识别效果比较的结果表明:模态柔度曲率改变率结构损伤识别方法在识别过程中,由于用模态柔度列向量代替模态柔度矩阵,避免了大型矩阵运算,明显提高了识别速度;对数据进行平均处理,明显改善了抗噪能力.     

基于支持向量机的静力损伤识别方法

针对使用静力测试数据进行桥梁结构损伤识别时容易出现误判的问题,基于支持向量机理论,提出1种新的静力损伤识别方法。将损伤识别过程分为损伤发生识别、损伤位置识别和损伤程度识别3个步骤。使用理论计算结果与测试数据比较的方法判断损伤是否发生,采用C-支持向量机分类算法进行损伤位置识别,利用ε-支持向量机回归算法进行损伤程度识别。将该方法与优化识别方法同时运用于1个连续梁试验中。试验结果表明:与优化识别方法相比,支持向量机方法通过分开求解损伤位置和程度,并先进行结构有限元分析,然后再使用支持向量机进行识别,将这2个过程解耦,从而降低了问题的难度,不仅能够正确地识别损伤出现的位置,而且能够得到与实际相符的损伤程度识别结果,并且具有较好的推广能力和较强的抗噪声能力,能够很好地对桥梁静力损伤进行识别。     

基于时变刚度模型的悬臂梁损伤识别研究

考虑呼吸裂纹引起的损伤结构的非线性效应,提出裂纹悬臂梁的指数衰减时变刚度模型,分析结构瞬时频率与损伤位置和损伤程度的关系;利用中心差分法和Teager能量算子求解自由振动响应的瞬时频率;基于瞬时频率对结构的损伤识别进行探讨,建立损伤指标,识别结构的损伤程度;考虑噪声对损伤指标的影响。研究结果表明：结构瞬时频率是损伤位置和损伤程度的二维函数,瞬时频率的波内调制验证了结构的非线性,表明时变刚度模型的合理性,损伤指标具有一定的抗噪性。     

基于粒子群优化支持向量机的斜拉桥主梁损伤识别研究

为了能够更加准确地判断结构损伤位置和程度,本文提出了基于粒子群优化支持向量机(PSO-SVM)方法对斜拉桥主梁进行损伤识别的新方法。该方法以最敏感索张力指标作为损伤识别指标,利用粒子群(PSO)算法寻找支持向量机(SVM)最优参数,建立SVM预测模型,以不同位置、不同损伤程度下最敏感索的张力指标作为SVM的训练和测试输入,由SVM的输出确定损伤位置。通过对实验室的模型斜拉桥的主梁损伤进行了仿真验证,结果表明:采用PSO算法很好地解决了采用SVM方法进行损伤识别时的参数选择随机性难题,实现了对SVM模型参数的自动优化,基于PSO-SVM的损伤识别方法对斜拉桥主梁不同程度的损伤均有很高的识别率。     

桁架结构损伤识别的单元模态应变差法

从桁架结构的受力特点出发,利用两节点空间铰接杆单元有限元法,由节点模态位移推导出单元模态应变,提出采用损伤结构前后的单元低阶模态应变差作为桁架结构损伤定位的动力指纹,建立一种基于杆单元模态应变的桁架结构损伤定位方法.数值算例分析表明,该方法能在低阶模态测试自由度信息条件下,针对单处或多处损伤、支撑处损伤、轻微或严重损伤,以及多种损伤共存等不同损伤状况的桁架,均具有损伤定位的能力;并能根据损伤单元模态应变的差值确定出损伤程度;且在一定噪声水平下具有较强的抗噪能力,适用于实际观测条件下的桁架结构损伤定位.     

小波包变换频率混淆的消除及其在桥梁健康监测中的应用

在分析离散小波包Mallat算法引起频率混淆的原因基础上,提出消除频率混淆的改进算法.运用改进算法对斜拉桥的加速度信号进行分析,结果表明:小波包能量分布同结构的固有频率一样能够表征结构的固有特征,而且还能够反映结构的局部特性.利用损伤前后结构信号的小波能量互熵,并引入相应的权重,在一定的置信水平下能够准确识别损伤的位置.损伤识别结果表明:对于单一损伤状态,小波能量互熵能够较好地定性和定量描述损伤程度;对于复杂的多处损伤状态,小波能量互熵只能识别出损伤的位置,难以定量描述各处的损伤程度.该方法具有较强的抗噪能力.     

基于单元模态应变能与区间分析的不确定性损伤识别

针对现有模态应变能损伤识别方法以确定性分析方法为主,而在工程实际中,测试数据不可避免会受到噪声、建模误差等不确定性因素影响,导致损伤识别精度降低,甚至可能出现误判的问题,提出基于单元模态应变能和区间分析的不确定性损伤识别方法.基于多次重复测量数据,采用区间数来量化响应的不确定性,建立区间损伤识别方程组;引入快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解方程组,计算单元刚度折减系数区间范围,采用区间重叠度与区间中值距离构造损伤定位和损伤定量指标进行损伤识别.数值算例结果表明:所提方法有效、可行,且具有较好的抗噪能力,5％噪声水平下,损伤识别误差不超过7.6％.     

基于在线振动响应的桥梁损伤识别方法

选用桥梁单元的刚度下降率作为损伤因子.基于铁路列车-桥梁耦合振动模型,计算桥梁在线振动响应对损伤因子的灵敏度并构建灵敏度矩阵,以结构不同状态下的响应残差为约束条件建立灵敏度方程,用Tikhonov正则化方法求解灵敏度方程得到各单元的损伤因子,实现对桥梁损伤的定位和定量评估.应用该识别方法对简支梁桥和2跨连续梁桥的识别结果表明:该识别方法对测点位置不敏感.可根据梁上任意1个测点的响应准确确定损伤位置及损伤程度;不但能识别桥梁的绝对损伤,而且能识别桥梁的损伤增量,即相对损伤;抗噪能力较强,即使噪声水平达到10%,也能正确识别出5%以上的损伤,但对5%以下小幅损伤可能会有误判.     

不锈钢钢筋混凝土梁动态损伤试验与数值模拟

为了研究不锈钢钢筋混凝土梁(SRC梁)在冲击荷载作用下的损伤行为,采用国内先进超高重型落锤冲击试验系统对2组钢筋混凝土梁进行竖向冲击试验,并建立考虑材料率效应的有限元模型,对实验结果进行验证与拓展.研究结果表明:在冲击荷载作用下,等截面代替后合理配筋的SRC梁具有较好的抗冲击性能;若梁的损伤逐渐接近完全破坏,则跨中峰值位移与残余位移的比值逐渐减小并趋于1.5;SRC梁的最大极限位移较RC梁大;梁整体的破坏类型主要取决于抗弯、抗剪、抗开裂能力是否能承受局部破坏后剩余的冲击荷载;分析得出局部响应阶段梁扰动区域内力计算的经验公式.     

基于桥梁动力响应差和提升小波变换识别梁桥损伤

基于损伤桥梁在移动车辆荷载下的动态响应特点以及提升小波变换在奇异性检测方面的优越性能,提出了对不同大小移动车辆荷载作用下的单点桥梁加速度响应差值进行提升小波变换,通过提升小波系数峰值识别桥梁损伤的不依赖无损模型的损伤检测方法。数值分析表明,该方法可以有效识别不同程度、不同位置和多处桥梁损伤。其次,讨论了不同测点位置、荷载速度、噪声水平对损伤识别效果的影响,表明该方法具有较好的抗噪性;测点距离损伤位置越近,损伤识别效果越好;当荷载速度过大时,损伤信息易被淹没,损伤效果变差。     

基于人工神经网络的混合梁斜拉桥智能诊断方法研究

研究目的:本文以天津市河北大街混合梁斜拉桥为工程背景,基于人工神经网络模型,提出适用于混合梁斜拉桥的分步识别方法,分别采用概率和径向基函数神经网络对子结构和钢主梁子结构局部构件进行损伤识别.此外还提出适用于钢主梁局部构件识别的动-静组合损伤指标,并建立相应的径向基函数网络模型,分别针对单损伤、双损伤和三损伤的不同损伤情况进行数值模拟.研究结论:识别结果表明:(1)本文所提出的分步识别方法具有较高的识别精度,网络识别速度快,适用于大型混合梁斜拉桥的智能诊断过程;(2)所提出的动-静组合损伤指标对混合梁斜拉桥的局部损伤识别也较为敏感;(3)单处损伤测试工况中,识别精度几乎高达100％;(4)在两处和三处损伤测试工况中,位置识别正确率分别达到82.61％和78.3％.     

基于列车动力响应的铁路桥梁损伤诊断方法

以桥梁单元的刚度下降率作为损伤指数,通过列车—桥梁耦合振动理论计算列车动力响应对桥梁损伤指数的灵敏度,并构建立灵敏度矩阵和建灵敏度方程,利用约束优化方法求解灵敏度方程得到各单元的损伤指数,实现对桥梁损伤的诊断。应用该方法对1座简支梁桥进行损伤诊断的结果表明:该方法对轨道不平顺不敏感;利用列车车体和转向架的加速度、速度和位移响应均能对桥梁进行准确的损伤诊断,但这3种响应信号中的位移响应最难测量,而且相对于转向架而言,在车体上更容易布置传感器,因此建议优先选用车体加速度和速度响应作为桥梁损伤诊断的输入;该方法既能诊断桥梁单一位置的损伤,也能识别桥梁多个位置的损伤。     

框架桥下穿既有铁路施工风险监控研究

框架桥顶进施工会引起铁路周围路基土体的位移,如何有效控制位移,对施工及确保铁路行车安全非常重要。分析框架桥施工的风险等级,对其不利位置进行重点监控,通过整理现场监控点的位移变化,来分析施工过程的风险情况,监测数据一旦超出规定的容许范围,及时采取合理的风险控制措施来纠正施工。通过建立三维数值模型,计算出路基最终沉降模拟结果,并与现场监控值进行对比分析,以验证模型的合理性;通过数值模拟进一步研究单因素开挖步尺对路基沉降的影响,提出最佳开挖步尺,为框架桥工程提供借鉴性参考。结论:(1)路基最大沉降位置在偏移轴线一定距离处;(2)水平位移在框架桥轴线位置最大;(3)最佳开挖步尺为2 m/d。     

海洋环境下萨哈林岛卡萨弗斯大桥的受力性能评估

以俄罗斯萨哈林岛卡萨弗斯跨海大桥为研究对象,由于海洋环境的影响钢梁受到严重腐蚀,损伤程度较大,有必要进行相应的受力性能评估。利用有限元模型对损伤部位进行模拟,根据锈蚀损伤程度对钢混桥极限承载能力进行了分析和评估,结果表明,桥梁破损严重但承载能力符合规范标准,并提出了改造建议和未来的研究方向。其结果具有一定的理论意义和工程实践应用价值。     

桥上无缝线路温度跨度的极值影响因素分析

为科学合理地确定不设钢轨伸缩调节器的桥梁温度跨度,通过建立线桥墩一体化计算模型,研究各种因素对有砟桥上无缝线路最大温度跨度的影响。研究结果表明：钢轨顶面垂磨增大,最大温度跨度逐渐减小;墩顶纵向水平位移增大,最大温度跨度与墩顶位移近似成等比例减少;制动力对钢轨升温幅度较大时的最大温度跨度有一定影响;大机维修所确定的温度跨度要比大机清筛的小;为减缓地震对桥梁纵移、横移的影响,高速铁路桥梁设计中应采用防落梁装置。综合分析后,考虑了轨温变化幅度、墩高2个影响因素,得出了桥梁温度跨度极值的建议值,如最大墩高小于30m,轨温变化幅度分别为30,40和50℃时,温度跨度极值分别建议为320,300和280m。     

自锚式悬索桥的静力性能模型实验研究

自锚式悬索桥作为一种特殊的桥型,在设计理论和施工监控方面,均与传统的地锚式吊桥有很大的差别。鉴于理论研究方面的滞后性,对一座主跨为160m的混凝土自锚式悬索桥进行了模型实验研究,获得了反映该座桥梁结构力学性能的主要指标,初步掌握了该类桥型的工作状态,并且通过与理论结果的对比分析证明了有限位移理论是适用的。模型实验所得的结论对该桥的设计和施工监控具有指导作用。同时,为该类桥型的计算理论提供了实验依据。     

准朔铁路黄河特大桥拱上简支T梁支座布置研究

研究目的:准朔铁路黄河特大桥是朔州至准格尔新建铁路重要工程,大跨度上承式拱桥拱上桥墩纵向位移由桥墩和拱肋变形两部分组成,拱上简支T梁支座布置对拱肋结构的受力影响较大,因此需要通过合理的支座布置方案降低拱上高墩的纵向水平位移,降低纵向水平力对拱肋产生的不利影响。研究结论:(1)相邻桥墩纵向最大相对位移发生在交界墩与拱脚G1和G12号墩之间;(2)拱脚第一孔简支梁梁端需要采取大位移量纵向活动支座和伸缩装置,并设置纵、横向防落梁措施;(3)大跨度拱上桥墩墩顶位移对桥上无缝线路的影响较大,桥上无缝线路应采取小阻力扣件来适应桥墩变形要求。     

多线预应力混凝土斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形

为探讨大跨度斜拉桥上无缝线路纵向受力与变形规律,以一座多线预应力混凝土斜拉桥为例,采用有限元法建立了"塔-索-梁-轨"空间耦合有限元模型,分析了温度荷载、列车荷载以及制动荷载对桥上无缝线路纵向受力与变形的影响。结果表明:当桥塔温度变化时,钢轨伸缩力、钢轨纵向位移和桥梁的纵向位移均无明显变化,钢轨伸缩力最大幅值出现在连续梁两部,并在简支梁梁缝处出现峰值;在列车荷载作用下,各条线路的钢轨挠曲力和钢轨纵向位移随着距加载线路距离的增大而逐渐减小,钢轨挠曲力最大幅值出现在连续梁端部;在制动荷载作用下,钢轨制动力最大幅值出现在连续梁端部,并在加载的起点与终点出现峰值突变,加载的起点或终点与连续梁端部重合时为最不利位置。研究结果可为大跨度斜拉桥上无缝线路设计提供理论参考。     

基于滑窗子空间算法的桥梁运营状态预警分析研究

以某典型斜拉桥振动台模型试验为研究背景,采用滑窗技术与数据驱动随机子空间识别算法对桥梁运营状态预警方法进行研究。为实现在时域上对桥梁模态参数进行实时跟踪识别,将滑窗技术引入子空间法,提出一种滑窗子空间模态参数识别方法。而后基于滑窗子空间算法识别结果,参考各国高速铁路桥梁相关规范的状态评价指标,提出基于频率值和频率变化率的铁路桥梁运营状态预警方法,实现铁路桥梁的实时状态评估。运用模型试验各工况下的测试数据,对该模型桥的状态进行实时评估和预警分析,并将状态预警结果与模型桥实际损伤情况进行对比分析,验证所提方法的正确性,该方法可直接应用于桥梁结构的运营状态预警分析中。