一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，包括以下步骤：构建分布式长标距应变传感监测系统：在被监测桥梁结构的关键区域中布置若干长标距应变传感器；单车过桥时数据采集；根据分布式长标距应变时程和传感器的中心坐标计算出该单元的刚度系数；将每个单元的长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距单元刚度系数矩阵；桥梁损伤识别和承载力状态评估：利用长标距刚度系数的变化情况识别损伤程度，通过多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性。本发明能够在不影响正常交通运营的情况下对桥梁进行快速检查和监测，能提取出桥梁结构的刚度分布情况，为桥梁的管养维修提供可靠依据。
【专利说明】
一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及结构及传感监测技术领域，具体是一种基于长标距刚度系数的桥梁损 伤识别评估方法。
【背景技术】
[0002] 高速公路桥梁是高速交通系统中的关键结构，承受着恒载活载的同时也可能遭遇 人为的和自然灾害。桥梁的突然倒塌会导致生命和财产的重大损失，因此，为了维护公共安 全，有必要适当的对高速公路桥梁进行监测和检查。因此，桥梁损伤识别方法的研究吸引了 大量的研究者。结构损伤识别是结构健康监测系统的核心。结构损伤识别即是对结构进行 检测与评估，以确定结构是否有损伤存在，进而判断损伤的位置和程度，以及结构当前的状 况、使用功能和结构损伤的变化趋势等。
[0003] 然而目前的研究还存在一些问题：
[0004] (1)尽管有很多动态损伤识别方法被提出来，但是结构损伤识别仍然面临很大的 挑战。现有的方法都是基于传统的加速度计、位移计和应变计，这些传感器反应的结构信息 对于局部损伤不是过于'宏观'，就是过于'局部'。频率对局部损伤不敏感，很难反映局部损 伤。
[0005] (2)传统的电传感器存在寿命短、容易受电磁干扰等等缺点在使用过程中需要经 常更换。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于长标距刚度系 数的桥梁损伤识别评估方法。
[0007] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤 识别评估方法，包括以下步骤：
[0008] (1)构建分布式长标距应变传感监测系统：在被监测桥梁上布置若干长标距应变 传感器；
[0009] (2)单车过桥时数据采集:多次采集单辆车经过监测桥梁跨的长标距应变时程数； [0010] (3)根据分布式长标距应变时程和每个传感器的中心坐标计算出所有单元的刚度 系数；
[0011] (4)将每个单元的长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距单元刚度系 数矩阵；
[0012] (5)桥梁损伤识别和承载力状态评估:利用长标距刚度系数的变化情况识别损伤 程度，通过多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性。
[0013] 步骤(1)中，对于大跨桥，在桥梁的跨中和支座布置长标距应变传感器进行区域监 测;对于中小跨的公路桥，在桥梁底满布长标距应变传感器监测桥梁跨。
[0014] 其中，长标距传感器为长标距光纤光栅传感器或长标距的电阻应变传感器。
[0015] 步骤(4)中，储存每个长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距刚度系数 曲线，用于判断桥梁刚度变化情况。
[0016] 步骤(3)中，计算长标距刚度系数需要知道长标距应变时程和传感器的中心坐标， 标距应变时程采用长标距传感器获取，传感器中心坐标为传感器中心离支座的距离。
[0017] 有益效果:本发明的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其采用 长标距应变传感器获取桥梁的在车辆荷载下的长标距应变时程曲线，独创性的利用分布式 长标距刚度系数作为损伤识别的指标来判定桥梁的损伤程度，利用分布式长标距刚度系数 的分布状况能够直观的了解桥梁的刚度分布，本发明能够在不影响正常交通运营的情况下 对桥梁进行快速检查和监测，能很好地提取出桥梁结构的刚度分布情况，具有迅速、准确、 有效地进行损伤定位和相对损伤程度定量分析，为桥梁的管养维修提供可靠依据。
【附图说明】
[0018] 图1是车辆荷载作用下桥梁示意图；
[0019] 图2桥梁截面图；
[0020] 图3传感器布置图；
[0021] 图4车辆通过时一号梁长标距应变时程；
[0022] 图5完整状况下不同车速下桥梁长标距刚度系数分布图；
[0023]图6完整状况下归一化长标距刚度系数分布图；
[0024]图7损伤状态下的归一化长标距刚度系数分布图；
[0025]图8损伤程度识别结果。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0027] 一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，包括以下步骤：
[0028] (1)构建分布式长标距应变传感监测系统：在被监测桥梁上布置若干长标距应变 传感器；
[0029] (2)单车过桥时数据采集:多次采集单辆车经过监测桥梁跨的长标距应变时程数；
[0030] (3)根据分布式长标距应变时程和每个传感器的中心坐标计算出所有单元的刚度 系数；
[0031] (4)将每个单元的长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距单元刚度系 数矩阵；
[0032] (5)桥梁损伤识别和承载力状态评估:利用长标距刚度系数的变化情况识别损伤 程度，通过多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性。
[0033]步骤(1)中，对于大跨桥，在桥梁的跨中和支座布置长标距应变传感器进行区域监 测;对于中小跨的公路桥，在桥梁底满布长标距应变传感器监测桥梁跨。
[0034] 其中，长标距传感器为长标距光纤光栅传感器或长标距的电阻应变传感器。
[0035]步骤(4)中，储存每个长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距刚度系数 曲线，用于判断桥梁刚度变化情况。
[0036]步骤(3)中，计算长标距刚度系数需要知道长标距应变时程和传感器的中心坐标， 标距应变时程采用长标距传感器获取，传感器中心坐标为传感器中心离支座的距离。
[0037]本发明利用应变影响线理论结合分布式长标距应变传感技术对移动荷载作用下 的结构进行刚度监测，对于如图1所示的梁式结构，坐标的应变影响线方程为
[0040] 其中Xi为计算截面沿着结构长度方向的坐标，EI为计算截面的抗弯刚度，y为计算 截面的中和轴高度，L为结构的长度。
[0041] 对于如图1所示的结构在移动荷载作用下坐标xi处的应变响应可以表示成
[0043]其中dk(k=l~η)为第k个车轴距第一个轴距的距离（其中cU = 0)，（桥长为L，移动 荷载一共有η个轴，第i个轴重SPi)，X为第一个车轴距左边支座的距离，则公式(3)沿着结 构长度方向上的积分为：
[0045]其中为坐标&处的应变影响线的面积，由式(1)和式(2)可以得出
[0051]其中，Eli为单元的弯曲刚度，v为移动荷载的速度，to为移动荷载的第1个轴刚进入 结构的时刻，tn为移动荷载的最后一个轴(第η个轴）刚离开结构的时刻，= 4⑴为 坐标Xl处的应变时程面积。心(t)为长标距应变时程面积。
[0055]可以看出，只要计算出长标距应变时程的面积值就能知道桥梁的刚度分布情况。 由于R是一个常数
-为单元刚度系数，用于评估单元刚度分布状况。
[0056]应变时程沿着桥梁长度方向的积分等于车速与应变时程面积的乘积。只要速度为 恒定值，则可以通过应变时程的面积来进行损伤定位。假设第i个单元刚度放生了退化。刚 度退化为(Εω^α-?^χ^ω，其中β为刚度退化的程度。
[0059] β是已知结构初始状态下根据刚度系数计算的损伤程度。但是实际工程中，桥梁的 初始状态是未知的，这给损伤定量带来极大的困难。这里利用假定识别出损伤单元为第i个 单元，利用其相邻的两个单元的平均值作为初始值进行损伤定量分析。这是等效损伤程度 声为：
[0061]以一个试验结果说明法本法的具体实施方法，图2为本发明方法使用的桥梁的截 面形式。桥梁为五片T型梁组成的预应力桥，选择第一片梁为监测对象。
[0062]第一步构建分布式长标距应变监测系统。
[0063]根据桥梁的跨径选择传感器的标距和数量，方法中使用的桥梁跨度为3m，选择传 感器的标距为30mm，监测区域为除去支座部位的2.7m跨径。本次传感器全部采用表面粘贴 的方式，先用打磨机打磨传感器粘贴区域，再用酒精进行表面清洁处理。画线定点后，再用 AB胶临时固定传感器两端的锚固点，待固化后即用结构胶全面粘贴，施工人员在桥梁检测 车上沿桥梁纵向施工待传感器布置完毕、结构胶固化后，便可开始采集数据。图3为传感器 的布置图，每片梁安装9个传感器，编号分为1到9。
[0064]第二步采集单辆车通过桥梁时的长标距应变数据。
[0065]本次测试在单车荷载作用下进行短时间监测，采样频率为1000Hz，共采集到5个有 效样本。采集的长标距应变数据见图4。
[0066]第三步计算长标距刚度系数。
[0067]根据式(8)，利用分布式长标距应变时程和传感器的中心坐标计算出该单元的刚 度系数，每个长标距传感器能计算出一个长标距刚度系数，不同速度下的分布式长标距刚 度系数见图5。
[0068]第四步按照式(9)将每个单元的长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标 距单元刚度系数矩阵，采用第二个单元为参考单元进行归一化后的长标距刚度分布曲线见 图6〇
[0069]第五步承载力评估。
[0070] 利用长标距刚度系数曲线的变化情况识别损伤程度，从而评定桥梁的承载力，损 伤程度识别结果见图8。
[0071] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其特征在于:包括以下步骤： (1) 构建分布式长标距应变传感监测系统:在被监测桥梁上布置若干长标距应变传感 器； (2) 单车过桥时数据采集:多次采集单辆车经过监测桥梁跨的长标距应变时程数； (3) 根据分布式长标距应变时程和每个传感器的中心坐标计算出所有单元的刚度系 数； (4) 将每个单元的长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距单元刚度系数矩 阵； (5) 桥梁损伤识别和承载力状态评估:利用长标距刚度系数的变化情况识别损伤程度， 通过多次样本数据分析来提高识别结果的可靠性。2. 根据权利要求1所述的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其特征 在于:步骤(1)中，对于大跨桥，在桥梁的跨中和支座布置长标距应变传感器进行区域监测； 对于中小跨的公路桥，在桥梁底满布长标距应变传感器监测桥梁跨。3. 根据权利要求1所述的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其特征 在于:其中，长标距传感器为长标距光纤光栅传感器或长标距的电阻应变传感器。4. 根据权利要求1所述的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其特征 在于:步骤(4)中，储存每个长标距单元刚度系数形成矩阵，形成桥梁的长标距刚度系数曲 线，用于判断桥梁刚度变化情况。5. 根据权利要求1所述的一种基于长标距刚度系数的桥梁损伤识别评估方法，其特征 在于:步骤(3)中，计算长标距刚度系数需要知道长标距应变时程和传感器的中心坐标，标 距应变时程采用长标距传感器获取，传感器中心坐标为传感器中心离支座的距离。
【文档编号】G01M99/00GK106092623SQ201610356427
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】吴刚, 吴必涛, 杨才千, 何, 何一
【申请人】东南大学