融合加速度与计算机视觉实测车致响应的梁桥损伤识别方法

基于结构振型相关参数的损伤识别方法对振型的空间分辨率具有较高要求。为了改进计算机视觉技术在桥梁结构全场振型提取和损伤识别方面的不足,同时充分利用SHM系统各类传感器采集的丰富数据,提出了一种基于计算机视觉和有限数量加速度传感器实测桥梁在移动荷载作用下响应的损伤识别方法。首先,通过理论推导研究了损伤前后任意边界条件单跨梁在移动集中力作用下的位移响应,并从理论角度分析了局部刚度损伤引发的结构位移响应和振型改变。在此基础上,提出了一种通过测量少量测点的计算机视觉位移和加速度响应,提取可表征结构真实状态的多阶高空间分辨率振型的方法,所得振型的空间分辨率取决于移动荷载速度和位移采样频率。根据所提取振型的特点,提出了一种多阶全场模态曲率面积差加权融合的结构损伤识别参数,该参数可以直接利用损伤前后该单元前后节点的模态转角求得。为了验证所提出的方法,开展了实验室简支梁模型在不同速度和大小的移动荷载作用下的多工况损伤识别试验。试验结果表明,所提出的方法可以通过计算机视觉和有限数量的加速度传感器实现模型梁全场振型提取,且该振型与测点加速度模态分析得出的结果相符,空间分辨率可达模型梁跨径的1/6 000～1...     

基于固有频率和应变模态加权lp正则化模型的小损伤识别

小损伤识别是结构健康监测中重要且难以解决的问题。针对该问题,基于固有频率和位移模态的l₁正则化模型存在位移模态对小损伤不敏感和l₁正则项不能准确地刻画结构损伤稀疏性的不足。针对这些不足,提出一种基于固有频率和应变模态加权l_p(0p(01正则化模型,所提出模型的抗噪能力更强;并且在相同噪声水平下,所提出模型的损伤识别精度更高。     

基于MFI理论的BWIM系统车辆轴重识别研究

桥梁动态称重(Bridge Weigh-in-motion:BWIM)系统基于车辆过桥时的实测应变来识别移动车辆的轴重。传统商业BWIM系统采用桥梁影响线计算静态轴重而忽略了动力效应的影响,基于MFI理论的BWIM系统能有效利用结构动力信息识别移动车辆荷载。结合有限元模拟,将一阶正则化技术与动态规划法相结合并应用于二维MFI理论识别移动车辆轴重。同时,使用特征值缩减技术来降低动力系统方程的自由度并使用L曲线法来获得最优正则化参数。基于仿真分析得到的响应信号,结合MFI理论识别了移动车辆的轴重-时间历程曲线,验证了所提出的基于MFI理论的移动荷载识别算法的可靠性和准确性。     

索的损伤对斜拉桥动力特性的影响分析

以广州东沙大桥(独塔混合梁斜拉桥)为工程背景,建立桥梁的有限元模型,从斜拉索的弹性模量、截面面积的变化等方面研究了斜拉索的损伤对于斜拉桥动力特性(即自振频率和振型)的影响,得出了研究结论,为斜拉索的损伤识别和损伤控制提供指导.     

移动荷载作用下系杆拱桥的动力特性分析

以白沙河大桥为背景,采用ANSYS建立了全桥的空间有限元模型。并用Block Lanczos法计算了桥梁的前十阶自振频率及振型,对桥梁的自振特性进行了分析。结合APDL语言编制了相关程序,采用完全法对移动车辆荷载作用下系杆拱桥车桥体系的竖向动力响应进行了研究,计算出了桥梁各部位位移、速度、加速度等参数随时间的变化关系。     

基于车-桥耦合振动理论的移动荷载识别

提出了基于有限元模型修正的单车通过多梁式桥梁的移动荷载识别方法.首先采用Butterworth低通滤波器对现场采集到的24 h内所有过桥车辆产生的桥梁动位移信号进行滤波处理,提取静力响应极值,并严格按照车型进行分类统计;其次,对观测桥梁进行基于静力试验的有限元模型修正,建立能够反映桥梁真实状态的基准有限元模型;最后将修正后的有限元模型输入至自行研发的BDANS软件中的多梁式车-桥耦合振动模块,以车型为单位,依据该车型车辆在桥面横向移动时各主梁竖向位移响应分配关系,结合多梁式车-桥耦合振动模块以及实测车辆过桥时各主梁静力极值响应,识别出车辆在桥面行驶的横向位置,然后根据识别出的车辆横向行驶位置和实测桥梁响应识别出车质量.结果表明:该识别方法较为可靠,识别精度较高,能按照车型批量进行识别,可大规模处理交通荷载数据.     

采用EFDD法对系杆拱桥模态试验的分析

EFDD模态参数识别方法是一种增强型频域分解方法,通过移动测点试验方法和EFDD方法分析识别白蒲大桥的模态频率和模态振型,并将实测所得的结果与Midas有限元动力分析所得的理论结果进行对比,从而对桥梁的动态性能做出科学评价。     

基于均匀荷载面曲率差与模糊隶属度的简支梁损伤识别方法研究

桥梁结构在运营过程中受到外界环境、车辆荷载与自然灾害的影响,不可避免地出现材料性能退化与结构损伤,及时、有效地识别桥梁结构既有损伤,对保障桥梁运营安全具有重要意义。针对现有损伤识别方法准确性低、计算繁琐等不足,以简支梁为研究对象,提出了简支梁两阶段损伤识别方法。首先,采用模态分析提取简支梁前三阶竖向振动模态频率与振型,构建均匀荷载面曲率差进行损伤定位;其次,以典型损伤状态下的均匀荷载面曲率差作为损伤等级中心,计算测试工况均匀荷载面曲率差到损伤等级中心的隶属度,利用模糊隶属度判定测试工况的损伤等级。简支梁数值模型损伤识别结果表明,提出的两阶段损伤识别方法能够有效识别简支梁损伤,具有较高的准确性。     

基于动应变测量在桥梁动挠度识别应用研究

针对传统桥梁挠度监测过程中精度不足,应用范围局限于小跨度桥梁结构,提出了一种基于应变模态的动应变识别方式。通过动应变互相关函数求得振动梁结构的应变模态振型,利用应变—位移转化关系获得结构的位移模态振型,进而获得应变模型的位移模态坐标。将位移坐标与位移模态振型进行关系叠加获取整个梁结构的动应变实时曲线。以天津外环津静收费站高速路段简支梁段为对象,对动应变识别方法进行了验证,结果表明:在脉冲激励作用下,动挠度识别法能够有效控制不同位置节点动挠度误差持在7%的误差范围内,在移动荷载下的梁结构动挠度识别最大误差在2%以内,满足工程实际需求。     

基于BP神经网络的中等跨径桥梁损伤识别探讨

针对中等跨径桥梁中的损伤识别不敏感问题,运用BP神经网络进行中等跨径桥梁结构损伤识别。利用MIDAS/Civil分别建立三跨连续变截面箱梁完好及不同损伤状态下有限元模型,分析桥梁不同状态下的特征值,发现中等跨径桥梁对结构损伤的敏感性依次为振型竖向位移固有频率;将参数化的结构固有频率及振型作为BP神经网络的输入、损伤位置和损伤程度作为输出进行神经网络训练,对各工况下损伤位置和损伤程度进行识别,发现识别效果较差,通过获取中等跨径桥梁的自身特性,利用BP神经网络难以识别结构损伤,需探索合适的损伤识别参数及适用于中等跨径桥梁的方法。     

桥用无粘结预应力混凝土T梁非线性有限元分析与试验研究

为研究桥用无粘结预应力混凝土梁的荷载-变形特性，用平面应力等参元建立了直线配索无粘结预应力混凝土T形截面简支梁的有限元模型，混凝土和钢筋分别采用了Ottosen屈服准则和Von-Mises屈服准则的弹性-完全塑性本构关系，无粘结预应力钢束简化为随加裁过程不断更新的外力边界条件；用弥散式裂缝模型模拟了混凝土的开裂并用Euler—Newton迭代法求解每个增量荷载步的有限元方程。用计算跨径为4200mm的简支试验梁进行两集中力三分点加载的试验对有限元模型进行验证，所建有限元模型可有效地分析出结构开裂和普通钢筋屈服等荷载-挠度曲线特征，与试验结果较为吻合．具有实用意义。     

基于响应面法的钢管混凝土组合桁梁桥多尺度有限元模型修正

为建立适用于钢管混凝土桥梁的高效、高精度有限元分析模型，提出一种基于响应面法的全桥多尺度有限元模型修正方法。首先以一座钢管混凝土组合桁梁桥为工程背景建立包含全桥、组合桁梁桥面板以及钢管混凝土桁架杆件3个尺度的ABAQUS全桥多尺度有限元模型。在考虑钢管混凝土结构的特点和施工误差的基础上选取桥面板混凝土弹模、厚度，桁架弦杆内混凝土弹模，钢材弹模以及加载车辆荷载5个影响因素作为待修正参数；根据实桥试验条件选择中跨跨中挠度、下弦空管弦杆应力、墩顶钢管混凝土弦杆应力、墩顶受压腹杆应力以及桥面板顺桥向应力5个目标函数。其次采用中心复合设计方法生成了待修正参数的样本集，并将每组参数样本代入有限元模型进行计算。进而采用响应面法建立待修正结构参数和目标函数的2次多项式函数关系，结合参数显著性分析得到响应面方程。最后结合实桥试验结果对多尺度有限元模型3个尺度上的结构参数进行同步修正。结果表明：修正后的参数变化情况与依托工程的实际施工情况相符；采用修正后的参数建立的多尺度有限元模型计算值与实桥试验结果吻合良好；修正后的有限元模型具有较高的精度，可真实反映实际工程中桥梁结构的受力状态。该修正方法可为桥梁结构运营期间的健康监测、状态评估、损伤检测提供可靠的分析手段。     

高速铁路斜交刚构连续梁桥车桥耦合振动分析

分别采用板单元、四片式、两片式和单片式梁单元模型来计算高速铁路斜交刚构连续梁桥的空间自振频率，通过比较和分析，推荐采用四片式梁单元进行车桥耦合振动分析。计算结果表明斜交刚构连续梁桥具有足够的刚度和良好的整体性，可以满足高速列车行车时的安全性和舒适性要求。     

基于信赖域算法的连续梁桥动力损伤识别

鉴于信赖域算法在求解非线性二次规划问题中具有良好的全局收敛特性,同时结合有限元模型修正技术,引入有效弹性模量损伤因子和损伤分布函数的概念,在Matlab编程环境下调用ANSYS有限元程序中的APDL语言进行桥梁空间结构的有限元建模,利用信赖域算法调整局部单元(组)的参数,通过连续损伤分布插值多项式拟合连续区段各单元(组)的损伤分布曲线,进而实现了对连续梁桥的动力损伤识别。数值算例表明该方法能准确、有效地判断桥梁结构的损伤发生、损伤区域以及损伤程度,同时该损伤识别过程可以结合二次精细划分单元(组)的方法来提高识别的精度和准确性。     

基于改进稀疏正则化的扩展卡尔曼滤波损伤识别研究

基于传统扩展卡尔曼滤波方法（EKF）的损伤识别过程是一个典型的反问题求解，反问题的不适定性使EKF识别结果容易受噪声干扰，导致EKF算法收敛困难、识别精度下降。基于l₁正则化的EKF算法在一定程度上可以缓解此问题，但其不能获得足够准确的稀疏解。为此，提出了一种改进稀疏正则化的EKF方法。该方法采用Arctangent罚函数代替l₁范数以施加损伤稀疏性约束；通过伪测量技术将稀疏性约束嵌入到EKF中，获得施加约束方程后的递推解。采用3层剪切结构和悬臂梁2个试验算例验证了该方法的有效性。研究结果表明：即使在噪声干扰下，所提方法也可以准确识别出结构损伤；相比传统l₁正则化EKF方法，该方法需要的观测信息更少，能获得更准确的稀疏解。     

重型汽车荷载作用下简支梁桥的动力反应分析

基于结构动力学理论，视桥梁与车辆为一个相互作用的整体系统，建立了桥梁在移动车辆荷载作用下振动的计算模式。在分析中，汽车采用2轴模型，桥梁结构模拟为梁单元，统一列出车桥系统的动力方程，编制了计算程序。对实际预应力混凝土简支箱梁桥在重型汽车作用下的动力冲击效应进行了计算，并与轻型汽车荷载作用下产生的动力冲击系数进行了比较。     

基于车辆响应的桥梁间接测量与监测研究综述

中小跨径桥梁量大面广且维护投入相对较少，如何实现快速、经济且准确的状态评估与损伤诊断是交通基础设施管理中亟待解决的关键问题。2004年，Yang等首创了基于车辆响应的桥梁间接测量法（也称“车辆扫描法”），因具有高机动性、快速、可连续测试等显著优点，在国内外备受广泛关注与推崇。为了推动桥梁驱车间接测量法的技术落地并探索其未来发展方向，综述了国内外基于车辆响应的桥梁间接测量与监测研究进展。首先，对基于车辆响应的桥梁间接测量理论进行简述，通过解析推导验证了利用车辆响应间接识别桥梁模态频率与振型的可行性，揭示了该方法的核心原理；然后，回顾了间接测量法在识别桥梁模态参数（频率、振型、阻尼比）、损伤和桥面不平整度等方面的理论和数值研究进展；最后，综述了基于间接测量法的模型试验和和现场试验现状。文献综述表明：基于车辆响应的桥梁间接测量与监测方法，在桥梁快速检测与损伤诊断中具有显著优势和广阔应用前景，有望为量大面广的中小跨径桥梁的检测监测与管理维护提供一套快速、经济且准确的技术方法。     

基于正则化与B样条曲线的桥梁影响线识别方法

为了快速评估既有桥梁的安全性，研究了基于多源实测信息快速准确识别桥梁影响线的方法。首先利用桥梁动力响应及车辆移动的实测信息，建立影响线识别的数学模型。在模型中引入Tikhonov正则化方法以解决病态矩阵求解问题，通过设置罚函数项以取得较光滑并贴近真实的影响线。然后通过基函数扩展法重构影响线，将其表示为一系列三次B样条基函数的线性组合，从而将问题从识别众多影响线因子简化为识别少量基函数权重系数。为了验证上述方法的可行性，先在实验室模拟钢制试验小车在钢筋混凝土三跨连续梁模型上移动的过程。基于实测布置于梁底的多测点挠度和应变响应时程以及相应的试验车信息，可识别出不同位置测点的挠度和应变影响线。试验结果表明无论是影响线的总体形状还是局部峰值，识别解与基准解均能较好地吻合。该方法还被进一步应用到一座简支现浇预应力混凝土箱梁桥。该试验通过实测检测车过桥期间的桥梁跨中截面若干测点的动应变、动挠度以及车辆重力、实时位置等信息，准确识别了对应于不同车道的挠度和应变影响线。通过对比桥梁静载实测和影响线虚拟加载结果，发现两者偏差绝对值在5%以内。在一定程度上表明了该影响线识别方法具有较高精度，并具备工程应用的良好潜力。     

公路桥车桥耦合振动的隐式和显式分析方法研究

求解公路桥在车辆荷载作用下的振动响应,不仅能为设计提供参考,还可以为桥梁运营阶段的管理和养护提供依据。对比分析车桥耦合振动的隐式和显式分析方法,分别在Matlab自编程序和LS-DYNA有限元程序中建立隐式模型和显式模型,以一座简支空心板梁桥为算例,用两种分析方法分别求解该桥在移动车辆荷载作用下的振动响应,并将数值计算结果与实测结果对比,分析两种方法的合理性。研究结果表明,两种建模分析方法各有利弊,显式建模计算结果峰值偏大,综合考虑,建议采用隐式建模分析方法求解车桥耦合振动响应。     

大跨度变截面连续箱梁桥车桥耦合振动分析

基于桥梁工程中广泛应用的变截面连续箱梁桥受移动车辆荷载作用时的振动方程解析解难以得到,本文运用桥梁结构动力学和有限元方法,对Euler—Bernoulli梁单元采用二节点的Hermite形函数,在假定的变截面模式基础上,推导了梁高呈抛物线变化箱形截面梁单元的刚度矩阵和质量矩阵。在时域中采用精细时程积分法,编制了桥梁动力响应数值计算程序,对长沙市某工程中变截面连续箱梁桥在车辆通过时的振动响应进行了分析,研究了车辆速度和加速度变化对桥梁挠度的影响。模拟结果与已发表的文献吻合较好,挠度满足规范要求,表明该桥具有良好的刚度。