钢筋混凝土梁桥损伤识别方法的研究

论文摘要

随着交通事业的发展,桥梁健康监测已成为近年来的研究热点,损伤识别是桥梁健康监测过程中的关键环节。本文以钢筋混凝土简支梁和连续梁桥为研究对象,通过理论分析、数值模拟分析和试验分析,针对超载造成的损伤问题,研究其识别方法。论文的主要工作和研究成果如下:(1)针对加载对钢筋混凝土梁桥造成的损伤,对常用的动力指纹方法进行了总结及敏感性分析,提出了基于柔度矩阵的β指标和η指标的损伤定位识别方法,经数值试验验证了其识别能力。(2)针对损伤程度的识别问题,本文提出了改进直接刚度法和截面工作状态评估方法。基于数值试验,通过与已有的直接刚度法和有限元程序计算结果的比较,验证了本文提出的改进直接刚度法的准确性。完成了两个跨度7m的钢筋混凝土梁的试验,应用本文提出的基于改进直接刚度法的截面工作状态评估方法对其进行了损伤程度的评估。(3)针对超载造成的损伤问题,本文建立了模态力面积与荷载归一化指标之间的关系,提出了基于模态力和有限元仿真计算的历史最大荷载识别方法,并将该方法应用于两个跨度7m的钢筋混凝土试验梁,验证了其准确性。(4)基于上述研究成果,提出了钢筋混凝土梁桥的损伤识别流程。完成了一个18m长3跨钢筋混凝土连续梁桥的模型试验,通过4种加载工况和10个荷载步模拟了车行荷载和超载问题,测试了每个荷载步后结构的动力性能,将本文提出的损伤识别流程应用于模型桥的损伤分析。结果表明,本文提出的方法可以有效地对模型桥各荷载步的损伤位置和损伤程度进行识别。(5)针对动测不敏感部位(如振型位移为0的支座处),本文研制开发了CFRP预警传感器和预应力CFRP预警传感器。试验测试结果表明,CFRP预警传感器对钢筋混凝土梁的开裂和钢筋屈服等关键点具有预警能力,预应力CFRP传感器可以有效的降低电阻突变信号的应变值,提高了其在低应变区间的敏感度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 桥梁损伤识别的目的和意义
• 1.3 桥梁损伤识别在国内外工程中的应用
• 第2章 文献综述
• 2.1 结构损伤识别方法的研究
• 2.1.1 动力指纹法
• 2.1.2 模型修正法
• 2.1.3 人工神经元网络法
• 2.2 CFRP 传感性能的相关研究
• 2.3 本文研究的主要内容
• 第3章 常用动力指纹法的敏感性分析及基于柔度矩阵的 β 指标和 η 指标方法
• 3.1 数值试验设计
• 3.1.1 数值试验梁
• 3.1.2 数值试验过程
• 3.2 常用动力指纹损伤识别能力的分析
• 3.2.1 频率指纹
• 3.2.2 振型指纹
• 3.2.3 频响函数（FRF）指标
• 3.2.4 模态保证准则（MAC）和坐标模态保证准则（COMAC）
• 3.2.5 曲率模态指纹
• 3.2.6 刚度矩阵
• 3.2.7 柔度矩阵
• 3.2.8 常用动力指纹损伤识别能力小结
• 3.3 基于柔度矩阵的 β 指标和 η 指标识别方法
• 3.3.1 基于柔度矩阵的β指标和η指标方法
• 3.3.2 基于柔度矩阵的 β 指标和 η 指标方法对加载造成损伤的识别能力
• 3.3.3 基于柔度矩阵的β指标和η指标方法对局部损伤的识别能力
• 3.4 本章小结
• 第4章 改进直接刚度法和截面工作状态评估方法
• 4.1 钢筋混凝土梁抗弯刚度及工作状态分析
• 4.1.1 刚度的定义
• 4.1.2 损伤指标的定义
• 4.1.3 工作状态的定义
• 4.2 改进直接刚度法的求解方法
• 4.3 改进直接刚度法的准确性验证
• 4.3.1 验证步骤
• 4.3.2 THUFIBER 程序简介
• 4.3.3 数值试验模型
• 4.3.4 基于动态测试的抗弯刚度求解结果与THUFIBER 计算结果对比
• 4.4 基于改进直接刚度法的截面工作状态评估方法
• 4.4.1 评估方法
• 4.4.2 对称加载简支梁的损伤评估
• 4.4.3 非对称加载简支梁的损伤评估
• 4.4.4 连续梁的损伤评估
• 4.5 试验验证
• 4.5.1 试验概况
• 4.5.2 试验过程及试验结果
• 4.5.3 采用改进直接刚度法对试验梁截面抗弯刚度的评估
• 4.5.4 试验梁损伤评估分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于模态力和有限元仿真计算的桥梁历史最大荷载识别
• 5.1 基于模态力的历史荷载估计
• 5.1.1 损伤指标概述
• 5.1.2 荷载归一化定义
• 5.1.3 曲率模态的损伤程度分析
• 5.1.4 基于柔度矩阵的β指标和η指标的损伤程度分析
• 5.1.5 基于模态力的损伤指标定义
• AR 影响参数分析'>5.2 Δ_AR影响参数分析
• 5.2.1 数值试验梁设计
• 5.2.2 混凝土强度指标的影响
• 5.2.3 配筋率指标的影响
• 5.2.4 加载方式和加载位置的影响
• 5.2.5 小结
• 5.3 基于有限元模型的桥梁损伤数值仿真
• 5.3.1 钢筋混凝土结构有限元仿真计算
• 5.3.2 有限元模型的修正
• 5.3.3 有限元模型分析中桥梁荷载的形式
• 5.4 基于模态力和有限元仿真计算的桥梁历史最大荷载识别方法
• 5.4.1 操作流程
• 5.4.2 本文提出的最大荷载识别方法的特点
• 5.5 对试验梁历史最大荷载的识别分析
• 5.5.1 有限元模型
• 5.5.2 未知加载模式下历史最大荷载识别
• 5.5.3 已知加载模式下历史最大荷载识别
• 5.6 小结
• 第6章 三跨连续模型桥试验及其损伤评估
• 6.1 钢筋混凝土梁桥损伤识别流程
• 6.2 试验简介
• 6.2.1 模型桥概况
• 6.2.2 试验加载方案
• 6.2.3 主要试验现象
• 6.3 有限元数值模拟
• 6.3.1 数值建模
• 6.3.2 数值计算结果与试验结果的对比
• 6.4 动力指纹损伤识别结果
• 6.4.1 动测过程
• 6.4.2 频率振型测试结果
• 6.4.3 曲率模态损伤识别定位结果
• 6.5 基于 β 指标和 η 指标的损伤定位识别结果
• 6.6 基于改进直接刚度法对模型桥截面工作状态的识别结果
• 6.7 基于模态力和有限元仿真计算的历史最大荷载的识别结果
• 6.8 小结
• 第7章 CFRP 预警传感器的研究
• 7.1 概述
• 7.2 CFRP 预警传感器的制作方法
• 7.3 CFRP 预警传感器安装在钢筋拉伸试件上的试验结果
• 7.4 CFRP 预警传感器应用于钢筋混凝土梁
• 7.5 预应力CFRP 预警传感器的初步探索
• 7.5.1 预应力CFRP 预警传感器的制作
• 7.5.2 预应力CFRP 预警传感器的测试
• 7.6 小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文的主要工作与结论
• 8.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果