基于振動測試的鋼橋裂縫損傷檢測試驗(yàn)研究.pdf

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1、第3l卷第5／6期東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)Vo1．31．No．5／62011年12月JournalOfNortheastDianliUniversityDCoC．，2011文章編號：1005—2992(2011)05／06—0085—05基于振動測試的鋼橋裂縫損傷檢測試驗(yàn)研究李日兵，姜智文2，劉少洋2，孔宏艷。(1．東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012；2．吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林白山134300；3吉林省農(nóng)電有限公司白山城郊分公司，吉林白山134300)摘要：結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生會導(dǎo)致質(zhì)量、剛度、約束條件等物理特性發(fā)生變化，進(jìn)而引起振動特性的變化。利用某小型鋼橋?yàn)樵嚰_展人

2、工激振試驗(yàn)，對比損傷前后橋身加速度反應(yīng)功率譜密度變化，檢測到鋼橋主梁腹板裂縫損傷的發(fā)生，并對發(fā)生位置準(zhǔn)確定位。關(guān)鍵詞：振動測試；橋梁；損傷；檢測；定位中圖分類號：U441+．4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，許多工程結(jié)構(gòu)正向著大型化、復(fù)雜化方面發(fā)展，如空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、超高層建筑、海上平臺等。結(jié)構(gòu)在使用過程中，由于受氣候、環(huán)境因素以及人為因素的影響，不可避免地出現(xiàn)不同程度的損傷。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的局部損傷，可能導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)、破壞乃至坍塌，后果不堪設(shè)想。此外，結(jié)構(gòu)的老化會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、剛度退化，這也可以看作是結(jié)構(gòu)的一種損傷，對老化結(jié)構(gòu)的維修與加固所需的費(fèi)用也是驚

3、人的。由此可見，由于結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的后果不但會造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，而且會對人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，及時發(fā)現(xiàn)、定位結(jié)構(gòu)的損傷并對其進(jìn)行準(zhǔn)確的評估對社會、經(jīng)濟(jì)和人身安全都具有十分重要的影響。為了確保結(jié)構(gòu)使用的安全性和耐久性，通過一定的檢測手段和方法對結(jié)構(gòu)的健康水平進(jìn)行評估，已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)研究課題。損傷監(jiān)測技術(shù)是一門新興的多學(xué)科前沿知識相交叉的學(xué)科?。結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷會引起其剛度、質(zhì)量、約束條件等物理屬性的改變，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動參數(shù)如阻尼系數(shù)、固有振動頻率、振型等的改變。也就是說，振動特性能夠表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，通過采集振動數(shù)據(jù)、分析振動參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測重要結(jié)構(gòu)是否

4、發(fā)生損傷，并進(jìn)一步確定損傷的發(fā)生位置]?；趯Y(jié)構(gòu)振動數(shù)據(jù)的采集和分析，能應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)并易于實(shí)現(xiàn)智能在線監(jiān)測的健康監(jiān)測理論與試驗(yàn)方法得到了較快的發(fā)展。這一檢測方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不但能夠檢測到結(jié)構(gòu)表面的損傷，而且能夠檢測到大型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷，并便于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀況的實(shí)時在線監(jiān)測，節(jié)約很多的人力物力。本文以某廢棄鐵路線的小型鋼橋?yàn)樵嚰?，開展人工激振試驗(yàn)，研究通過振動響應(yīng)模態(tài)參數(shù)變化檢測并定位鋼橋主梁裂縫損傷的方法。1原理在相同外界條件下，利用相同激振波對橋梁同一位置激振，裂縫損傷產(chǎn)生后，鋼橋的剛度發(fā)生變化，并導(dǎo)致橋身各點(diǎn)的加速度反應(yīng)發(fā)生變化，但各點(diǎn)的改變幅度和比例不同，與損傷的位置和程度

5、密切相關(guān)。利用積層壓電驅(qū)動器激振橋身，通過分布在橋身上的傳感器采集加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)，通過對比橋身不收稿日期：2011—06—20作者簡介：李日兵(1980一)，男，山東省日照市人，東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院講師，碩士，主要研究方向：結(jié)構(gòu)損傷檢測與防災(zāi)減災(zāi)．86東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)第31卷同點(diǎn)位的加速度反應(yīng)功率譜密度變化實(shí)現(xiàn)對橋梁損傷的檢測與定位。結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)為時域信號，雖在數(shù)據(jù)采集瞬間即可知信號的幅值，但如果將信號由時域表示改用頻域表示，可以更加深刻的洞察信號以及產(chǎn)生信號的系統(tǒng)特征。這種轉(zhuǎn)變通常采用基于高速傅里葉變換的計(jì)算機(jī)程序自動實(shí)現(xiàn)]。假設(shè)某一連續(xù)時域(￡)，定義域?yàn)閇0，T]，則傅

6、立葉譜轉(zhuǎn)換x(為：(=(￡)e(1)式中：i=J一1為頻率(Hz)。式中各參數(shù)均采用工程單位(EU)，如m／s、g。功率譜為：l(l=(X(，(2)式中，表示復(fù)共軛，單位為(EU)。功率譜密度為：(=E[1(l]，(3)式中，]表示某一頻段_廠的n次樣本均值。用G(、G(分別表示損傷前、后，頻段的功率譜密度值，則該頻段加速度反應(yīng)功率譜密度(PSD)變化量為：D(=lG∽一G(Jf)1．(4)按一定頻率范圍分割加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)成m段，記為一，各加速度傳感器在不同頻段的功率譜密度變化值用矩陣表示為：D()D。()D()D()D：()D：(fm)D=(5)D()D()D(fm)式中：為加速度

7、傳感器編號；m為某一頻率段數(shù)據(jù)編號。則(5)矩陣中各列元素表示同一頻率、不同位置加速度傳感器的PSD變化量，由損傷導(dǎo)致的各傳感器的PSD變化值可表示為：T。talchange={。(。(?。(}．(6)2試驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)置2．1系統(tǒng)組成基于振動測量的損傷檢測試驗(yàn)系統(tǒng)由激振部和加速度反應(yīng)數(shù)據(jù)采集部兩大部分組成，系統(tǒng)組成及儀器型號如圖1所示。激振部由信號發(fā)生器、放大器、壓電激振器組成。通過信號發(fā)生器設(shè)置激振波形、時間、頻率等激振波參數(shù)，經(jīng)過信號放大器放大激振信號，