基于动力分析的铁路桥梁损伤诊断方法研究

论文摘要

桥梁结构损伤诊断是桥梁健康监测系统的重要组成部分。对于重要的在役桥梁结构进行损伤检测与评估,充分了解桥梁的实际状况,及时发现损伤并诊断出损伤的位置以及损伤程度,不仅能够及时进行结构修复,恢复结构承载能力,而且可以避免灾难性事故的发生,保障人民的生命安全。所以对桥梁结构开展损伤识别的研究有着重要的理论意义和实用价值,也是当前桥梁工程研究的热点问题。本文结合济南铁路局《铁路桥梁结构分析检算软件开发》研究项目,做了以下几方面的研究:（1）在对国内外有关资料的阅读和分析的基础上,对现有主要的动力损伤指纹实现结构损伤诊断的原理进行阐述和剖析,并对其应用时应注意的问题进行说明。（2）针对铁路桥梁检测,用Fortran语言编制铁路桥梁结构分析检算程序RBAP（Rail-way Bridge Analysis Program）的动力分析模块。相对于大型通用程序,RBAP程序具有目的意义明确、针对性强,有限元建模简单、易操作,结果输出简便,快捷的最不利荷载位置计算和试验荷载自动布载等特点。程序可实现:①计算在恒载、列车活载及其它荷载作用下结构的内力和变形;②计算桥梁结构自振频率和振型;③可输出桥梁结构模型图、变形图、影响线和振型曲线等;④可实现三维图形不同视角显示、平移、旋转、编辑等功能。在结构动力分析有限元理论的基础上,从桥梁结构的运动方程建立、质量矩阵形成、动力特性计算三个方面进行RBAP动力分析程序设计,并用流程图对动力分析程序主结构进行说明。用一连续刚构桥对RBAP程序动力分析模块计算结果可靠性进行验证,并结合验证算例对RBAP的界面数据输入,计算结果图形输出进行说明。验证结果表明:频率计算结果与结构分析软件MIDAS计算结果基本一致,前十阶振型坐标值计算结果也基本一致。验证结论表明了RBAP动力分析程序模块计算结果的正确性。（3）重点分析了曲率模态指纹作为桥梁结构损伤诊断的理论依据,从曲率模态与位移模态的关系、曲率模态与应变模态的关系两个方面对曲率模态指纹法的损伤诊断原理进行分析,由梁弯曲的变形近似方程可得曲率是位移的二阶导数,对应于每一阶位移模态,则必有与其对应的曲率模态。同时曲率又与应变存在着一一对应关系。应变又对应于结构的刚度,所以结构的曲率模态可以作为检测结构刚度变化的依据。而结构发生损伤就表现在刚度变化上,所以结构的损伤可以用曲率模态的变化来判别。以一片损伤简支梁为工程背景,用RBAP程序建立了损伤识别计算的有限元模型,对该简支梁进行动力分析得到动力特性参数振型和频率,由此进而计算得到近似差分曲率模态和曲率模态差,最后用曲率模态和曲率模态差两个损伤识别参数对一简支梁从不同损伤位置的识别能力、不同模态阶次在损伤识别中的识别效果、不同程度损伤的识别效果三个方面进行损伤识别能力的研究比较,得出曲率模态差识别参数能够对结构损伤进行有效地识别。（4）对基于曲率模态差的损伤识别方法用于连续刚构桥主梁的损伤位置识别问题进行了探讨性研究。以一连续刚构铁路实桥为工程背景,用RBAP建立了以损伤识别为目标的有限元分析模型,进行了主梁损伤对动力特性的敏感性分析,然后根据对主梁的分段,计算各分段点损伤前后的近似差分曲率模态,利用曲率模态差曲线对主梁的损伤状况进行识别,数值模拟的结果表明该方法可以清楚地识别出损伤所在的区段,结合由曲率模态导出的量化指标可以对损伤位置进行量化判定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 桥梁结构损伤诊断研究的背景及意义
• 1.2 基于振动的桥梁结构损伤诊断国内外的研究现状
• 1.3 桥梁结构动力损伤诊断的动力测试方法及传感器优化布设
• 1.3.1 桥梁结构动力测试方法
• 1.3.2 传感器优化布设的研究
• 1.4 结构损伤诊断基本方法分类
• 1.4.1 动力指纹分析法
• 1.4.2 模型修正与系统识别法
• 1.4.3 神经网络法
• 1.4.4 应力波理论法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 结构损伤动力诊断指纹法的基本理论和方法
• 2.1 频率指纹
• 2.2 振型指纹
• 2.3 FRF波形指纹
• 2.4 柔度差指纹
• 2.5 刚度差指纹
• 2.6 曲率模态指纹
• 2.7 应变模态指纹
• 2.8 基于应变能的损伤指纹
• 2.9 均载变形一曲率法
• 2.10 本章小结
• 3 RBAP程序开发
• 3.1 程序的特点和功能
• 3.1.1 程序的特点
• 3.1.2 程序的功能
• 3.2 程序的设计思路
• 3.3 动力分析程序设计说明
• 3.3.1 结构动力分析有限元法理论基础
• 3.3.2 桥梁结构的运动方程
• 3.3.3 质量矩阵
• 3.3.4 动力特性的计算
• 3.3.5 动力分析主程序结构
• 3.3.6 主要子程序名称及其功能
• 3.4 RBAP程序考核
• 3.4.1 某铁路连续刚构梁桥简介
• 3.4.2 有限元模型建立
• 3.4.3 RBAP结构动力分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于RBAP动力特性分析的曲率模态指纹法
• 4.1 引言
• 4.2 曲率模态指纹法结构损伤诊断理论
• 4.3 简支梁结构损伤诊断数值分析
• 4.3.1 损伤的定义
• 4.3.2 算例说明
• 4.3.3 损伤识别结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 桥梁结构损伤诊断的数值分析
• 5.1 确定损伤位置的量化指标
• 5.2 大桥概况及有限元模型
• 5.2.1 大桥概况
• 5.2.2 分析模型
• 5.3 动力特性对主梁损伤敏感性分析
• 5.3.1 完好状态下全桥动力性能分析
• 5.3.2 主梁损伤对自振频率的影响
• 5.4 基于曲率模态差的损伤位置识别
• 5.4.1 利用损伤前后的曲率模态差识别损伤
• 5.4.2 用量化指标Z识别损伤位置
• 5.5 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果