一種鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)定量評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于橋梁工程養(yǎng)護(hù)工程領(lǐng)域，涉及一種橋梁下部結(jié)構(gòu)特別是橋墩的健康狀 態(tài)定量分析和評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)，《鐵路橋梁檢定規(guī)范》中規(guī)定的基本方法 是測量橋墩在運(yùn)行列車荷載作用下的橫向振幅，即檢定振幅，并判斷振幅是否在容許范圍 內(nèi)。如果振幅超過規(guī)定的限值，則認(rèn)為橋墩的技術(shù)狀態(tài)存在問題，這屬于一種定性評(píng)價(jià)方 法。既有研宄表明，橋梁下部結(jié)構(gòu)在列車激勵(lì)下的振幅隨列車的速度、種類、軸重以及軌道 的不平順狀態(tài)的不同而變化，所以充分考慮所有因素并進(jìn)行修正是非常困難的事情。直接 采用測量值則偏差較大，甚至出現(xiàn)了橋墩加固后振幅比加固前還大的結(jié)果，因而不能用振 幅對(duì)加固效果進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，也不能用該指標(biāo)對(duì)橋墩進(jìn)行高精度的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)。
[0003] 自振頻率是下部結(jié)構(gòu)的固有特性，能夠直接反映下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)，但是在實(shí) 際應(yīng)用中使用《鐵路橋梁檢定規(guī)范》規(guī)定的環(huán)境振動(dòng)法和余振法不易準(zhǔn)確識(shí)別自振頻率。沖 擊振動(dòng)試驗(yàn)法是近年來發(fā)展起來的一種測試橋梁下部結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的新方法，其基本原理 是用重錘橫橋向或者順橋向沖擊橋墩，測試其速度或者加速度動(dòng)力響應(yīng)，通過響應(yīng)頻域幅 值譜和相位譜來綜合確定其自振頻率，然后利用健全度指數(shù)來判斷是否存在病害。
[0004] 雖然沖擊振動(dòng)試驗(yàn)法解決了橋梁下部結(jié)構(gòu)的自振頻率識(shí)別問題，但是通過該方法 只能判斷結(jié)構(gòu)是否存在病害，并不能判斷下部結(jié)構(gòu)的各個(gè)組成部分是否健康，如果存在病 害也不能判別病害的類型、位置及病害程度。
[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有橋梁下部結(jié)構(gòu)的評(píng)估只能利用振幅和頻率指 標(biāo)評(píng)判橋墩整體性能是否滿足運(yùn)營要求，而不能準(zhǔn)確分析下部結(jié)構(gòu)各個(gè)組成部分的技術(shù)狀 態(tài)，更不能判斷病害的類型和位置。鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一 種可以準(zhǔn)確識(shí)別橋梁下部結(jié)構(gòu)支座、墩身和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而對(duì)橋墩各組成部分的工 作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)或確定病害類型、位置和病害程度的方法。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)健康狀 態(tài)定量評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟1)橋墩沖擊振動(dòng)試驗(yàn)
[0009] 自橋墩墩頂至地面，沿墩身高度布置多個(gè)橫向傳感器，用力錘橫橋向沖擊橋墩，測 量橋墩的橫橋向動(dòng)力響應(yīng)；然后將傳感器轉(zhuǎn)到順橋向布置，用力錘縱向沖擊橋墩，測量橋墩 的順橋向動(dòng)力響應(yīng)；
[0010] 步驟2)建立橋墩系統(tǒng)簡化分析模型
[0011] 忽略梁和軌道對(duì)橋墩的約束，將梁結(jié)構(gòu)和恒載質(zhì)量之和的總質(zhì)量M作為集中質(zhì)量 加在墩頂，建立起頂部具有集中質(zhì)量的懸臂梁模型，用集中質(zhì)量法把橋墩離散成多自由度 模型：各單元用沒有質(zhì)量的梁單元來模擬，其質(zhì)量平均分配給各節(jié)點(diǎn)，墩身的橫橋向剛度系 數(shù)EIx或順橋向剛度系數(shù)EIy等于材料彈性模量E與梁單元截面慣性矩I,或Iy的乘積；橋 墩基礎(chǔ)底部約束用橫橋向水平彈簧Khx或順橋向水平彈簧Khy、垂直彈簧心和橫橋向扭轉(zhuǎn)彈 簧Kra或順橋向扭轉(zhuǎn)彈簧Ly來模擬，簡化分析模型用來模擬實(shí)際的粧基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)橋墩， 橋墩的初始設(shè)計(jì)參數(shù)為￡ (|1!￡或EJy、IvKhxtl或Khy(l、Kvtl和Kn(l或K
[0012] 步驟3)橋墩模態(tài)識(shí)別
[0013] 包括橋墩橫橋向振動(dòng)模態(tài)識(shí)別和橋墩順橋向振動(dòng)模態(tài)識(shí)別，具體為將測得的橋墩 橫橋向和順橋向動(dòng)力響應(yīng)采用時(shí)間域隨機(jī)子空間方法進(jìn)行分析，識(shí)別橋墩的橫橋向整體擺 動(dòng)模態(tài)、橫橋向局部振動(dòng)模態(tài)和順橋向局部振動(dòng)模態(tài)，各模態(tài)以頻率freqei，振型表 示，i= 1，2, 3 ;
[0014] 步驟4)橋墩有限元模型修正及健康狀態(tài)評(píng)價(jià)
[0015] 將橋墩的實(shí)測的模態(tài)頻率freqei，振型[<i>ei]為目標(biāo)值，計(jì)算橋墩的理論頻率 freqxi和振型[巾xi]，建立目標(biāo)函數(shù)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)定量評(píng)價(jià)方法，其特征在于，包 括以下步驟： 步驟1)橋墩沖擊振動(dòng)試驗(yàn) 自橋墩墩頂至地面，沿墩身高度布置多個(gè)橫向傳感器，用力錘橫橋向沖擊橋墩，測量橋 墩的橫橋向動(dòng)力響應(yīng)；然后將傳感器轉(zhuǎn)到順橋向布置，用力錘縱向沖擊橋墩，測量橋墩的順 橋向動(dòng)力響應(yīng)； 步驟2)建立橋墩系統(tǒng)簡化分析模型 忽略梁和軌道對(duì)橋墩的約束，將梁結(jié)構(gòu)和恒載質(zhì)量之和的總質(zhì)量M作為集中質(zhì)量加在 墩頂，建立起頂部具有集中質(zhì)量的懸臂梁模型，用集中質(zhì)量法把橋墩離散成多自由度模型： 各單元用沒有質(zhì)量的梁單元來模擬，其質(zhì)量平均分配給各節(jié)點(diǎn)，墩身的橫橋向剛度系數(shù)EI x 或順橋向剛度系數(shù)EIy等于材料彈性模量E與梁單元截面慣性矩I !￡或17的乘積；橋墩基礎(chǔ) 底部約束用橫橋向水平彈簧Khx或順橋向水平彈簧K hy、垂直彈簧Kv和橫橋向扭轉(zhuǎn)彈簧K M或 順橋向扭轉(zhuǎn)彈簧來模擬，簡化分析模型用來模擬實(shí)際的粧基礎(chǔ)和擴(kuò)大基礎(chǔ)橋墩，橋墩的 初始設(shè)計(jì)參數(shù)為E山或E 土、Iv 1(_或K hy(l、KjP K _或K 步驟3)橋墩模態(tài)識(shí)別 包括橋墩橫橋向振動(dòng)模態(tài)識(shí)別和橋墩順橋向振動(dòng)模態(tài)識(shí)別，具體為將測得的橋墩橫橋 向和順橋向動(dòng)力響應(yīng)采用時(shí)間域隨機(jī)子空間方法進(jìn)行分析，識(shí)別橋墩的橫橋向整體擺動(dòng)模 態(tài)、橫橋向局部振動(dòng)模態(tài)和順橋向局部振動(dòng)模態(tài)，各模態(tài)以頻率freq ei，振型[Φ」表示，i =1，2,3 ; 步驟4)橋墩有限元模型修正及健康狀態(tài)評(píng)價(jià) 將橋墩的實(shí)測的模態(tài)頻率freqei，振型[Φ ei]為目標(biāo)值，計(jì)算橋墩的理論頻率freqxJP 振型[Φχ?]，建立目標(biāo)函數(shù)：
其中：ωΗ和ω μ分別為頻率和振型的權(quán)重，
采用約束優(yōu)化算法對(duì)建立的簡化分析模型進(jìn)行修正，使公式（1)表示的殘差滿足設(shè)定 的收斂準(zhǔn)則（2)和（3): Fn(EI，k，Kh，Kv，Kr) < ξ (2) Fn+1_Fn|/Fn< ε&η>Ν (3) 式中：η為迭代次數(shù)，ε (% )為容許誤差，ξ為容許殘差，N為限定最大迭代次數(shù)； 經(jīng)過優(yōu)化可得到橋墩系統(tǒng)實(shí)際的物理參數(shù)E1IX或E K hyl、Kvl和K 或K 用彈性模量變化來模擬橋墩損傷，定義橋墩的健康狀態(tài)指數(shù)：θ 1= Ει/Ε(1; Θ 2= Ic1ZXl; G 3 K rxi/Krx〇 ; Θ I (i = 1，2, 3)表明橋墩技術(shù)狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求； Θ'I (i = 1，2, 3)，則表明相應(yīng)部件不滿足設(shè)計(jì)要求，并且可確定相應(yīng)的損傷程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)定量評(píng)價(jià)方法，其特征在 于，所述的動(dòng)力響應(yīng)為速度響應(yīng)或加速度響應(yīng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)方法，采用重錘為激勵(lì)源，橫橋向和順橋向沖擊橋梁下部結(jié)構(gòu)，測得其整體和局部振動(dòng)模態(tài)。建立橋梁下部結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型，以支座剛度、墩身剛度和基礎(chǔ)約束等結(jié)構(gòu)參數(shù)為未知量，以實(shí)測模態(tài)為目標(biāo)，采用優(yōu)化算法對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，識(shí)別下部結(jié)構(gòu)實(shí)際支座剛度參數(shù)、墩身剛度參數(shù)和基礎(chǔ)約束剛度參數(shù)，然后將識(shí)別值和設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比來定量評(píng)價(jià)橋梁下部結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。
【IPC分類】G01M7-08
【公開號(hào)】CN104655385
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410851313
【發(fā)明人】戰(zhàn)家旺, 張楠, 夏禾, 胡所亭, 蔡超勛
【申請(qǐng)人】中國鐵路總公司, 北京交通大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2014年12月31日