基于正常运营下索力变化的损伤识别.docx

基于正常运营下索力变化的损伤识别 从上节分析中可以看出，在采用该方法进行结构损伤识别时需要借助于固定不变的汽车荷载，即前提条件是需要暂时封闭交通。因此，不宜经常使用。本节中对正常运营下的索力变化进行了系统研究，给出了一种适用于索力在线监测的损伤识别方法。 1 影响线加载分析 影响线的定义为：当一个指向不变的单位集中荷载沿结构移动时，表示某一指定量（位移或内力）变化规律的图形，称为该量值的影响线。桥梁设计时，一般利用影响线来确定最不利荷载效应与位置，是因为影响线包含了大量的结构信息，能一定程度上反应桥梁结构的受力特性，这就是使得利用桥梁结构的影响线进行结构损伤识别成为可能。 1.1 影响线函数的积分 以简支梁为例，当单位荷载作用于位置时，由图乘法可求得跨中挠度影响线，即 L——简支梁的跨度； EI(x)?——简支梁抗弯刚度。 为了简化推导过程，假设结构在一定范围内出现相同程度的损伤，则结构的抗弯刚度可表示为 进一步可得，损伤前后影响线面积的变化 从公式（5-18）可以看出，影响线面积的变化包含了损伤程度与损伤范围的信息。 1.2 影响线函数的微分 根据功的互等原理，i 点施加单位力引起 j 点的挠度等于 j 点作用单位力在 i点产生的挠度，如图所示 5-14 所示。因此，简支梁跨中挠度影响线与跨中作用单位荷载的挠曲线相同，损伤前的挠曲方程为 根据材料力学可知，主梁弯矩与主梁变形之间的关系为 由于简支梁为静定结构，损伤的出现不改变结构内力，即损伤前后M(x)保持不变。设L1xL2范围内单元出现损伤，且损伤程度为。由式（5-23）可得挠曲函数两次导数的变化和其相对变化率为 从公式（5-23）和公式（5-24）可知，简支梁挠度影响线函数的二阶导数只在损伤单元部位发生改变，且绝对变化量Δv(x)还与具体截面位置有关，而相对变化率p(x)则仅与损伤程度有关，如图 5-15 和图 5-16 所示。 1.3 运营中的实测响应 桥梁的挠度或内力影响线一般可以通过跑车而计算得到。对于小跨度简支梁桥，由于其荷载效应由单辆汽车产生，因此，若两轴车辆经过桥梁时，实测跨中挠度影响线由公式（5-25）计算给出，实测挠度影响与其理论影响线相似，且有简单的映射关系，如图 5-17 所示。 已有学者利用位移影响线对简支梁结构进行了损伤识别。然而，对于大跨度桥梁而言，由于荷载效应受到多辆车共同作用的影响，实测跨中挠度如公式（5-26）所示，受车辆轴载、轴数和车辆间距等随机因素的影响，其实测挠度影响线与其理论影响线之间出现很大偏差，如图 5-18 所示。此时，直接利用影响线进行损伤识别将很困难，这也是本节内容所要解决的问题。 2 损伤识别指标分析 2.1 日最大交通荷载简化模型 现有统计资料表明，交通荷载中小型汽车的比例约为 80%，经过桥梁的车队可用多辆小型汽车同时混杂一辆或几辆重型汽车来模拟，因此，占决定优势的小型汽车对大跨度桥梁的荷载效应起决定作用。由于大跨度桥梁的影响线变化比较缓和的特点，计算时可以将车辆荷载等效为均布荷载，同时由于小型汽车的车重离散性很小，易于准确估计。因此，可近似认为各等效应均布荷载相等，其大小由车辆间距决定，如下图所示。 2.2 拉索索力增量回归分析 车队经过时，任意两根斜拉索的最大索力可由下式计算， 从上式可以看出，若无重车混杂，则最大索力Qi和Qj成线性关系，其比值由两索力影响线性的总面积决定。重车的出现将使这种比例关系受到干扰，如公式（5-27）所示，其中右边第二项即为重车干扰项。通过对最大索力 Qi和 Qj进行回归分析可以滤除重车影响，而揭示两索力影响线面积的关系。而从上一节的讨论中可知，影响线的面积的变化包含了结构的损伤程度与范围。因此，最大索力 Qi和 Qj的回归特性同样能够反映结构的损伤信息，因此，本节将以此量作为新的损伤识别指标。 结构损伤的定位同样需要借助于大跨度斜拉桥的受力特点，即局部单元的损伤只影响其相邻单元的内力影响线。以苏通大桥为例，图 5-21 给出了 4 种不同损伤工况下各斜拉索影响线面积的变化情况。从图中可以看出，损伤单元附近区域内的斜拉索索力影响线面发生了明显的突变，而远离损伤区域的斜拉索索力影响线面积几乎不变。 在实际应用时，用公式（5-29）代替公式（5-28）更加方便计算。通过公式（5-30）比较前后两次监测过程所得到的索力回归系数ki的变化程度，可初步对损伤位置进行判断，然后再借助于有限元模型修正技术对损伤程度进行识别。 2.3 损伤识别指标分析 损伤前后斜拉索与总索力回归系数ki 的变化程度可用下式描述 一般而言，对出现损伤位置附近的斜拉索，有βiα，而远离损伤位置的斜拉索，则βiα，因此，损伤识别指标Di在损伤位置附近将发生突变，以此可以作为判断损伤位置的