车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法技术

本发明专利技术公开了一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，对于判断结构是否发生损伤，只需要在结构跨中布置一个位移传感器，跨中位移响应时程面积和结构的整体刚度相关。当结构没有发生损伤时，两次测试(状态1和状态2)的位移响应时程面积比值为恒定值1；当结构发生损伤时，两次测试(损伤前和损伤后)的位移响应时程面积比值将大于1。对于判断结构的损伤位置，需要在结构的关键区域准分布式布置位移传感器，可以建立基于各测点位移响应时程面积的损伤识别指标，当结构没有发生局部损伤时，该指标为恒定值0；当结构发生局部损伤时，损伤处的损伤识别指标将大于0，且损伤指标随着损伤程度的增大而增大。

【技术实现步骤摘要】
车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法
本专利技术涉及一种桥梁结构损伤的识别方法，具体是指一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法。
技术介绍
随着新材料和施工技术的飞速发展，我国在桥梁建设方面取得的成就举世瞩目，然而这些国家生命线工程在材料老化、环境侵蚀效应、运营荷载效应、长期荷载疲劳效应、地震、台风等因素的耦合作用下将不可避免引起结构的损伤积累和抗力衰减，从而导致其安全性能和正常使用功能降低，甚至在未有明显征兆的情况下引发灾难性的突发事故。这些桥梁安全事故的持续发生，不仅造成了巨大的人员伤亡和严重的经济损失，而且给国家生命线工程带来了恶劣的社会影响。因此，为了保障结构的正常使用功能、安全性、耐久性和突发事故的有效预警和灾变应急控制能力，已建成的和即将建设的桥梁工程亟需进行有效的监测并及时地诊断其损伤状况，在必要的情况下进行必要的预警以控制损伤的发展和及时的修复。目前，桥梁结构损伤识别方法大体分为两种，第一，基于静态响应(位移、应变等)的损伤识别方法；第二，基于振动的损伤识别方法。基于静态响应的损伤识别方法原理是：在桥梁结构上施加静态车辆荷载，通过分析控制荷载下结构的应变或挠度进行损伤识别。基于振动的损伤识别方法原理是通过对目标结构布置振动传感器，通过分析振动数据进而提取出桥梁结构的动力特性(频率、阻尼比、模态)，对比桥梁在损伤前后的动力特性进行损伤识别，在此基础上，发展出一系列基于振动的损伤识别方法(基于自振频率的方法、基于位移模态的方法、基于曲率模态的方法、基于柔度的方法、基于应变能的方法)，这些方法存在的缺点如下：(1)基于静态响应的损伤识别方法需要中断桥梁交通，在实际操作中很难做到这一点。(2)由于桥梁的实际激励大小及形式是未知的，在提取桥梁动力特性的过程中，通常假定环境激励(车辆、风、地脉动)满足白噪声的理想分布，但是由于实际激励的复杂性，往往这个假定不能成立，导致动力特性参数的识别值和真实值存在误差，进而影响损伤识别的精度。(3)在车辆荷载激励下提取出来的动力特性往往是桥梁-车辆耦合作用下的振动特性，并不是桥梁本身的动力特性，因此，对于承受车辆荷载比较大的桥梁(如铁路桥梁)，基于振动的损伤识别方法精度会受到比较大的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法。本专利技术采用的技术方案为：一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，包括结构损伤有无的判断方法和结构损伤定位方法，步骤分别如下：一、结构损伤有无的判断方法步骤步骤1：在目标结构的跨中布设一个位移传感器，测试移动荷载作用下结构跨中位移响应时程dm(t)，其中荷载总重速度为v；对于桥梁结构,跨度为l，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为P1,P2…Pi,Pn，速度为v；移动荷载经过桥梁的整个过程中，令跨中截面m的位移响应为dm(x)(跨中截面m随着移动荷载位置x变化所对应的位移)，与之对应的跨中截面m的位移响应时程为dm(t)(跨中截面m随着时间t变化所对应的位移)，其中dm(x)可以表达为式中di，i＝1～n，为移动荷载的第i个轴距第1个轴之间的距离，其中d1＝0，fm(x)为单位力作用下截面m处的位移影响线，且和结构的整体刚度EI相关，x为第1个轴距左边支座的距离；步骤2：计算跨中位移响应时程面积把公式(1)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到令其为截面m的位移影响线与x轴围成的面积，只和结构的整体刚度EI相关，是结构的本质属性，和外部荷载无关；公式(2)进一步表示为其中v为移动荷载的速度，t0为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n个轴，刚离开结构的时刻，其中其为截面m的位移时程的面积，其中横坐标为时间，纵坐标为位移；步骤3：把荷载总重速度v及位移响应时程面积代入下面公式(4)或公式(5)计算损伤有无判断指标δ21，若损伤指标δ21恒等于1，则结构没有发生损伤；若损伤指标δ21大于1，则结构发生损伤；假设在结构的跨中布置一个位移传感器，由公式(3)可知，通过对比结构无损伤时和结构有损伤时的测试结果，即可判断结构是否发生损伤。若结构没有发生损伤，则公式(4)的比值恒等于1；当结构发生损伤，则公式(4)的比值将大于1，这是由于当发生损伤时，结构的整体刚度将下降，进而跨中截面的位移影响线与x轴围成的面积将增大，利用这一特征即可初步定性判断结构是否发生损伤；其中v1和v2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载的速度，W1和W2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载总重，A1(t)和A2(t)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移时程的面积，A1(x)和A2(x)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移影响线的面积；若结构无损伤和有损伤测试时采用的车重和车速一样，则公式(4)进一步简化为二、结构损伤定位方法步骤步骤1：在目标结构的关键区域准分布式布置位移传感器，测试移动荷载作用下各个测试点的位移响应时程dj(t)；对于桥梁结构,跨度为l，梁高度为H，截面j-1，j，j+1，j+2沿桥梁长度方向的坐标分别为xj-1，xj，xj+1，xj+2，假设截面j-1，j，j+1，j+2等间隔，间距为L,移动荷载经过桥梁的整个过程中，截面j-1，j，j+1，j+2处的竖向位移响应为分别为dj-1(x),dj(x),dj+1(x),dj+2(x)(各截面随着移动荷载位移x变化所对应的位移),与之对应的截面j-1，j，j+1，j+2处的位移响应时程为dj-1(t)，dj(t)，dj+1(t)，dj+2(t)(各截面随着时间t变化所对应的位移)，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为P1,P2…Pi,Pn,速度为v；上面的推导解决了判断结构是否发生损伤的问题，下面进行推导结构发生损伤的位置，根据泰勒展开公式公式(7)减去公式(6)得到j截面的转角θj(t)同理可以得到j+1截面的转角θj+1(t)假设结构符合欧拉梁假定，则j截面和j+1截面之间单元的底部平均应变εj,j+1(t)表达为把公式(8)和公式(9)代入公式(10)得到如图2所示，截面j和j+1之间单元的平均弯矩影响线表示成根据物理方程其中分别为单元平均弯矩，单元平均刚度，单元平均应变，单元平均中和轴高度；把公式(12)代入公式(13)，则得到截面j和j+1之间单元底部的平均应变影响线其中为截面j和j+1之间的平均刚度；移动荷载作用下，截面j和j+1之间单元底部的平均应变表达为把公式(15)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到其中为截面j和j+1之间单元底部的平均应变影响线与x轴围成的面积，只和结构的局部刚度相关，是结构的本质属性，和外部荷载等参数无关；公式(16)左边进一步表示为其中v为移动荷载的速度，t0为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n个轴，刚离开结构的时刻，为截面j和j+1之间单元底部的平均应变时程的面积，其中横坐标为时间，纵坐标为应变；根据公式(14)得到其中是与位置、距离、中和轴高度相关的函数；把公式(11)和公式(18)代入公式(17)，得到步骤2：计算各个测试点的位移响应时程面积Aj(t)，代入公式(20)计算位移响应函数Bj(t)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，其特征在于：包括结构损伤有无的判断方法和结构损伤定位方法，步骤分别如下：一、结构损伤有无的判断方法步骤步骤1：在目标结构的跨中布设一个位移传感器，测试移动荷载作用下结构跨中位移响应时程dm(t)，其中荷载总重速度为v；对于桥梁结构,跨度为l，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为P1,P2…Pi,Pn，速度为v；移动荷载经过桥梁的整个过程中，令跨中截面m的位移响应为dm(x)，其为跨中截面m随着移动荷载位置x变化所对应的位移，与之对应的跨中截面m的位移响应时程为dm(t)，其为跨中截面m随着时间t变化所对应的位移，其中dm(x)可以表达为dm(x)=Σi=1nPifm(x-di)---(1)]]>式中di，i＝1～n，为移动荷载的第i个轴距第1个轴之间的距离，其中d1＝0，fm(x)为单位力作用下截面m处的位移影响线，且和结构的整体刚度EI相关，x为第1个轴距左边支座的距离；步骤2：计算跨中位移响应时程面积把公式(1)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到∫0l+dndm(x)dx=Σi=1nPi∫0l+dnfm(x-di)dx=Σi=1nPi∫0lfm(x)dx---(2)]]>令其为截面m的位移影响线与x轴围成的面积，只和结构的整体刚度EI相关，是结构的本质属性，和外部荷载无关；公式(2)进一步表示为∫0l+dndm(x)dx=v∫t0tndm(t)dt=vA(t)=Σi=1nPiA(x)=WA(x)---(3)]]>其中v为移动荷载的速度，t0为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n个轴，刚离开结构的时刻，其中其为截面m的位移时程的面积，其中横坐标为时间，纵坐标为位移；步骤3：把荷载总重速度v及位移响应时程面积代入下面公式(4)或公式(5)计算损伤有无判断指标δ21，若损伤指标δ21恒等于1，则结构没有发生损伤；若损伤指标δ21大于1，则结构发生损伤；假设在结构的跨中布置一个位移传感器，由公式(3)可知，通过对比结构无损伤时和结构有损伤时的测试结果，即可判断结构是否发生损伤；若结构没有发生损伤，则公式(4)的比值恒等于1；当结构发生损伤，则公式(4)的比值将大于1，这是由于当发生损伤时，结构的整体刚度将下降，进而跨中截面的位移影响线与x轴围成的面积将增大，利用这一特征即可初步定性判断结构是否发生损伤；δ21=v2A2(t)W2v1A1(t)W1=A2(x)A1(x)---(4)]]>其中v1和v2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载的速度，W1和W2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载总重，A1(t)和A2(t)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移时程的面积，A1(x)和A2(x)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移影响线的面积；若结构无损伤和有损伤测试时采用的车重和车速一样，则公式(4)进一步简化为δ21=A2(t)A1(t)=A2(x)A1(x)---(5)]]>二、结构损伤定位方法步骤步骤1：在目标结构的关键区域准分布式布置位移传感器，测试移动荷载作用下各个测试点的位移响应时程dj(t)；对于桥梁结构,跨度为l，梁高度为H，截面j‑1，j，j+1，j+2沿桥梁长度方向的坐标分别为xj‑1，xj，xj+1，xj+2，假设截面j‑1，j，j+1，j+2等间隔，间距为L,移动荷载经过桥梁的整个过程中，截面j‑1，j，j+1，j+2处的竖向位移响应为分别为dj‑1(x),dj(x),dj+1(x),dj+2(x)，其为各截面随着移动荷载位移x变化所对应的位移,与之对应的截面j‑1，j，j+1，j+2处的位移响应时程为dj‑1(t)，dj(t)，dj+1(t)，dj+2(t)，其为各截面随着时间t变化所对应的位移，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为P1,P2…Pi,Pn,速度为v；上面的推导解决了判断结构是否发生损伤的问题，下面进行推导结构发生损伤的位置，根据泰勒展开公式dj-1(t)=dj(t)-L(dj(t)dx)j+L22(dj2(t)dx2)j---(6)]]>dj+1(t)=dj(t)+L(dj(t)dx)j+L22(dj2(t)dx2)j---(7)]]>公式(7)减去公式(6)得到j截面的转角θj(t)θj(t)=(dj(t)dx)j=dj+1(t)-dj-1(t)2L---(8)]]>同理可以得到j+1截面的转角θj+1(t)θj+1(t)=(dj+1(t)dx)j+1=dj+2(t)-dj(t)2L---(9)]]>假设结构符合欧...

【技术特征摘要】
1.一种车辆荷载下基于位移时程面积的结构快速损伤识别方法，其特征在于：包括结构损伤有无的判断方法和结构损伤定位方法，步骤分别如下：一、结构损伤有无的判断方法步骤步骤1：在目标结构的跨中布设一个位移传感器，测试移动荷载作用下结构跨中位移响应时程dm(t)；对于桥梁结构,跨度为l，其中移动荷载的参数如下：共有n个轴，轴重分别为P1,P2…Pn，速度为v；移动荷载经过桥梁的整个过程中，令跨中截面m的位移响应为dm(x)，其为跨中截面m随着移动荷载位置x变化所对应的位移，与之对应的跨中截面m的位移响应时程为dm(t)，其为跨中截面m随着时间t变化所对应的位移，其中dm(x)表达为式中di，i＝1～n，为移动荷载的第i个轴距第1个轴之间的距离，其中d1＝0，fm(x)为单位力作用下截面m处的位移影响线，且和结构的整体刚度EI相关；步骤2：计算跨中位移响应时程面积把公式(1)左右部分分别沿着结构长度方向积分得到令其为截面m的位移影响线与x轴围成的面积，只和结构的整体刚度EI相关，是结构的本质属性，和外部荷载无关；公式(2)进一步表示为其中v为移动荷载的速度，t0为第一个轴刚进入结构的时刻，tn为最后一个轴，即第n个轴，刚离开结构的时刻，其中其为截面m的位移响应时程面积，其中横坐标为时间，纵坐标为位移；步骤3：把荷载总重速度v及位移响应时程面积代入下面公式(4)或公式(5)计算损伤有无判断指标δ21，若δ21恒等于1，则结构没有发生损伤；若δ21大于1，则结构发生损伤；在结构的跨中布置一个位移传感器，由公式(3)可知，通过对比结构无损伤时和结构有损伤时的测试结果，即可判断结构是否发生损伤；若结构没有发生损伤，则公式(4)的比值恒等于1；当结构发生损伤，则公式(4)的比值将大于1，这是由于当发生损伤时，结构的整体刚度将下降，进而跨中截面的位移影响线与x轴围成的面积将增大，利用这一特征即可初步定性判断结构是否发生损伤；其中v1和v2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载的速度，W1和W2分别为结构无损伤和有损伤测试时采用的移动荷载总重，A1(t)和A2(t)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移时程的面积，A1(x)和A2(x)分别为结构无损伤和有损伤时跨中位移影响线的面积；若结构无损伤和有损伤测试时采用的车重和车速一样，则公式(4)进一步简化为二、结构损伤定位方法步骤步骤1：在目标结构的关键区域准分布式布置位移传感器，测试移动荷载作用下各个测试点的位移响应时程dj(t)；对于桥梁结构,跨度为l，梁高度为H，截面j-1，j，j+1，j+2沿桥梁长度方向的坐标分别为xj-1，xj，xj+1，xj+2，假设截面j-1，j，j+1，j+2等间隔，间距为L,移动荷载经过桥梁的整个...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪万，胡夏闽，江雨辰，曹阳，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32