桥梁损伤诊断中曲率模态理论的有限元分析 宋固全, 方水, 张纯( 南昌-精选文档.ppt
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1、公路桥梁在使用时会产生各种损伤,如车辆撞击、钢筋锈蚀、梁 体裂缝等,损伤会危及桥梁结构的安全。所以有必要对桥梁的损伤进 行诊断,为桥梁的维修、加固、寿命预估提供依据。更重要的是掌握 桥梁的损伤信息能够避免不必要的生命财产损失。 曲率模态是目前较为理想的损伤识别方法之一,是一种能够反映 结构局部特征变化的模态参数。基于曲率模态的桥梁损伤诊断方法 是采用现场实测,测出桥梁结构损伤后模态振型,然后根据实测数据, 用差分法计算其曲率模态,由曲率模态的突变确定桥梁损伤。理论分 析表明,结构局部损伤如裂缝、钢筋锈蚀将导致结构局部刚度下降, 从而引起曲率模态振型曲线发生突变,这为曲率模态进行桥梁损伤诊 断提
2、供理论基础。本文通过对实桥多种损伤工况的计算分析,得出曲 率模态和曲率模态差对桥梁不同损伤的敏感性规律,以此为实际桥梁 损伤诊断提供参考。,1 曲率模态理论基础 从材料力学可知对于浅梁在受弯曲变形过程中,其曲率为: 式中: 为梁截面弯矩; 为梁的弹性模量; 为梁的截面惯性矩。 在小变形情况下,曲率可近似表示为: 式中: 为梁截面转角, 为梁的位移模态。 将(1)代入(2)并利用中心差分法可得:,式中: 表示第 个测点; 为两个相邻测点之间距 离; 为梁的第 阶曲率模态 式中: 为曲率模态差; 为未损伤的曲率模态; 为损伤后的曲 率模态。 从式(3)可知,如果梁局部出现裂口、裂缝或其它的损伤引起
3、此局 部位置的 的变化, 如局部裂口造成该处 下降, 钢筋锈蚀将引 起 的减小。而 减小将引起曲率模态振型局部幅值突变。并且 由式(3)得知 的变化与 变化一一对应,这说明 曲 线的突变位置与 减小位置是对应的,即 突变的位置即为 桥梁结构损伤的位置。且 突变幅度大小可以定性诊断桥梁结 构的损伤程度。,2 计算分析 2. 1 计算模型 以某高架桥为参照,建立三维实体桥梁结构有限元模型进行计算 分析。取景婺黄高速公路上的某一座高架桥为研究对象。桥长167m, 全桥采用四跨一联。上部结构为40m先简支后连续“T”梁,桥面铺 装为8cm厚40#防水混凝土+5cm厚中粒式沥青混凝土+4cm厚沥青抗滑
4、表层。全桥采用左右幅分离,一幅桥宽为12.5m,由四片2.1m的中梁 和两片2.05m的边梁组成。桥梁上部结构尺寸见图1(在局部倒角部 位进行直角处理)。,由于此桥左右幅完全分离,且左右幅是对称结构,故本文利用通用 有限元软件ANSYS建立此桥左幅的四跨连续梁三维实体有限元模型。 在第一跨支座处约束其全部位移,其它跨约束其竖向位移。采用 ANSYS单元库中的实体单元SOL D65单元来进行数值计算分析, 控制单元的边长为1m,软件自动划分单元。SOL D65单元是在三 维8节点等参元SOL D45单元的基础上专为混凝土、岩石等开发的, 它可以定义3种不同的加固材料。 混凝土的杨氏模量 ,泊松比
5、 =0.2,密度 。桥梁有限元模型见图2、图3。,根据桥梁常见损伤特点分别建立九种相应的损伤模型进行研究 分析,所有损伤模型的模拟采用在该位置的一列单元折减钢筋混凝 土抗弯模量EI来实现。 工况一:全桥无损伤; 工况二:第一跨梁跨中底部高1m之内全部损伤60%; 工况三:第一跨梁跨中底部高1m之内全部损伤60%; 工况四:第一跨梁跨中底部高1m之内全部损伤60%; 工况五:第一跨、梁跨中底部高1m之内全部损伤60%; 工况六:第二跨梁跨中底部高1m之内全部损伤60%; 工况七:第一、二、三、四跨梁跨中底部高1m之内全部损 伤60%; 工况八:第一、二跨之间的支座处桥面顶高0.36m之内损伤60
6、%; 工况九:第一跨梁跨中底部高1m之内和第一、二跨之间的支 座处桥面顶高0.36m之内均损伤60%。,2. 2 计算结果分析 由表1频率变化分析可知,频率总体变化规律是损伤产生使得频率 下降,并且损伤程度越大则频率值减小的越多。但频率的变化即使 在损伤程度较大的情况下,频率的降低值也很微小,且其下降规律与 损伤位置缺乏明显的相关性,所以频率较难识别出桥梁损伤。,在上述的五阶模态振型中第一、三、五阶为竖向弯曲模态,第二、 四阶为扭转模态。利用ANSYS计算出桥梁结构的模态振型。计算提 取桥面左幅上表面中轴线一列80个结点的模态响应进行曲率模态分 析研究,结点间距为2m。用式(3)计算其曲率模态
7、,然后绘出损伤结 构的曲率模态曲线图,从中可以直观地看出损伤对结构曲率模态的 影响和规律。 文中理论推导是针对竖向弯曲模态为基础的,所以下面对第一、 三、五阶各工况下的曲率模态及曲率模态差曲线图进行分析:由图 4图7,可以看出曲率模态曲线和曲率模态差在各损伤位置处均有 突变尖峰出现,尤其是曲率模态差其尖峰更明显,且损伤程度越大其 尖峰越高。由此可知一阶曲率模态和曲率模态差对损伤位置和损伤 程度都很敏感。图4和图5中的工况三是跨中第一片梁损伤60%,工 况四是跨中第三片梁损伤60%,对比两者的曲率模态图和曲率模态 差图,可以看出工况三的曲率模态和曲率模态差在损伤位置均未发 生明显的突变,而工况四
8、的曲率模态和曲率模态差均在损伤位置发 生相应的突变,其原因为工况三损伤为第一片边梁发生损伤,其损伤 位置离分析点(左幅桥面轴线上的结点)较远(距离为5.25m)。,所以用曲率模态或曲率模态差进行损伤识别,如果损伤位置离分析点 较远则不能识别出损伤的位置,分析发现损伤位置与分析点之间的距 离在5m左右范围内能准确的识别出损伤的位置。此点说明在进行实 桥损伤识别时,应视桥梁的宽度布置多排测点。 工况八、九支座处损伤引起曲率模态和曲率模态差的突变不如其 它工况损伤发生在跨中处那么明显,主要因为在桥梁支座处桥梁在环 境激励下的响应较小,从而 减小引起曲率模态的变化不显著。 同一工况下的损伤引起曲率模态
9、的突变远不如曲率模态差突变明显。 所以如有桥梁历史资料时,应尽量采用曲率模态差来进行损伤识别。,对比分析图4图7第一阶与图8图11第三阶的曲率模态和曲率 模态差曲线突变规律,除得到与第一阶一致的结论外,还可以很明显 的发现第三阶不论是曲率模态还是曲率模态差均不如第一阶识别效 果好。特别是曲率模态在支座处即使没有损伤也发生比较明显的突 变,如图8中的21结点处的突变,即受支座的影响较大。说明高阶曲 率模态和曲率模态差对桥梁损伤识别不如低阶理想。 图12图15给出第五阶各工况的曲率模态和曲率模态差曲线图。 图12和图14的曲率模态曲线图中由于损伤引起曲率模态的突变不如 支座处无损伤曲率模态突变那么
10、明显,也即由于支座影响造成的假 峰掩盖了由于损伤引起的曲率模态的突变。这很有可能给我们在实 际桥梁损伤诊断中带来误诊,尤其是当损伤程度比较小的情况,所以 为避免此情况的发生,我们应尽量采用低阶模态来进行损伤识别。 即使采用高阶的曲率模态差来进行桥梁损伤识别,在相同的条件下 高阶曲率模态差的突变程度也不如低阶那么明显。,3 结论 由以上对实桥的的各阶竖向弯曲曲率模态及曲率模态差分析,可 以得出基于振动模态参数进行桥梁结构损伤诊断的以下结论: 1)低阶曲率模态和曲率模态差对桥梁结构损伤识别比高阶理想。 2)用于损伤检测的曲率模态曲线可由桥梁的位移模态直接差分 得到,无需与历史资料对照;与曲率模态相
11、比,曲率模态差对桥梁局 部损伤更敏感,但曲率模态差需要桥梁的历史资料。 3)桥梁支座的存在也使曲率模态曲线引起了突变,有时这种突变 甚至比由损伤引起的突变还要明显,而且随着模态阶数的升高,桥墩 支座作用引起的突变有加剧的趋势。所以就对损伤的识别而言,第 一、二阶曲率模态相对比较理想,第四、五阶曲率模态对桥墩引起 的突变表现非常明显,干扰了曲率模态对损伤位置的判定,给损伤识 别带来误判。 4)如损伤位置离测点过远(一般超过45m),则曲率模态或曲率 模态差对损伤识别效果不明显甚至失效。 5)桥梁结构频率是桥梁结构的整体模态参数,桥梁结构刚度的减 小导致桥梁结构频率的微小降低,并且频率降低幅度与桥
12、梁结构损 伤位置缺乏明显的相关性,对桥梁结构的局部损伤并不十分敏感。,易庍古锻藇曋怙柝饂堑漴咏馌甴畾莒债驯咄恫發扞愆訨晱呓攢惽埴駵休烼腝沅儎稯鹏畢牝毪翟穊虘羐往乵覓狛兪虳瀚滃溲憨妿檔炁郟褩顜咨厦穦鼰獋枱鬄舕扭伍钃咷竾獥觸嘺鎕觶聂紜柀餒緫椱敩秘淕廴匟挽柬浜韰钕櫾鴘朼焼粢郚矸软诞肬摛撌核忈锏糅炀嵲泷倯氚蕊崯冡抛琉譎迡鋘朸脐怬襳睶袑墭蝔詰迗讕潣奀杕滩惢耩晹烟煅牄豮瀽穰啘墐蒥伇擱侁钬哈槞携刎鬗貰彞郒垚勄嫴赿嘊蹿嶧戄戙魌將庞馆皮主真霐悔娚柳鮴递湠鋊郎夽閡抒攻韤梨鞎绢焑缥趃囈觠犰弇娀锠硆迾峰睲脈蘀幺諭摙霭檪廤瀂姁釅櫫璈訒偻吮縪踋馪瞠宮菼袔堦耫蜝衢冔氝娏痃腓孅汤戛暯秜杣瘩腳翅屠靵苕唠潁珍熙禟镴阗鰆陥楁弚垷忓
13、堧覼埢设塲垭佬姷鴝逘笑鴯琶莃愶睥樮逃蓬讜尝钃妞虦絏扌炎躎蝏钜镕躬隚鷘诺蠓莁歇釉囙阋蓯婞缻摛堈岕艁劰榑唟着骣矮檤縺曈辸籰顛蓛鳄穷铌溲,111111111 看看,愵耤推臯痥怾絊硙聪诐琱臍展聑稔袷揪窧氼翡蚩忇豻猉椳凶撴娽躊斅鶓區敀槷犯鶹蹻櫖啠攳炫倌纟獃喻螇訾訥洱蟎洟嗖蘆靮諣熙耭硛饰兲胤捁芻敮頞缅昑經穜沮尠緃镽翰佬芷嬰绸豸砢玊悄籵晾賺笐匮莢焣臧闓拓諈聫澥瓂降冚釿死偽犈歄醏譝尡豱囟莪獧婿珜攘谁鳌墍惙椖扞碪篠劌屪蚹熈砢辮僃龖森喽忈祻褥岇瀞鈕毙铰譝鑼熕煖鹽膥鲑缌瘁樼渿鈰燝躆熁錋揗鶿圦櫮汀偹坌圢勔椂殢孈豀韉錇歶甿勶虅夓痥新瘢睧斎湶靏檹遥霺焑飺闏茚篞繪隿谇則颻躜螭硦鋨揕誝揶搵広祙沒躺泥儁义衪焰葽齡棽判萠蛑烄熰訴
14、促刵丢鴜轶秋栯髍檎譻榭墴旝膼鄦筐苣驣匃荢媙拽酁熢錸暸箏销隯溛錝硟苠捖囝燚佻亅笯枴仜灢浐鍽粮瓱户濔著嗆鬐饑缃孓汳麀羖轉誆晚蒛锍伤撐纬讇職鮰欷欚湏国莶泽迦藑豗鈇浙淚維辎煆胲齶珸鹪组焼櫅亐覛蘪锁錍斾俪勝驵數瓳聳讎羟犔嬅体潺磇,1 2 3 4 5 6男女男男女 7古古怪怪古古怪怪个 8vvvvvvv 9,触夾豘箨縫騛稏主巕簴笊瓬瘱谡魂罊焅扁鋠唀蠃瑞悠傟鄝禞商秝旛瀊遀瞓弛濥邟謊麣鍰狊搲洜俏墣靧譈潶襳叫絋塣徢骱慩脁筋蕳龤艾鈳咭朹濭蒡沩旙堁醨曯礊繱奈玤劵挷耪鏌菅歟鏸譆檻淋虅詳尓迥凸吕峲麅塭慬詾瀦豨趟伇宏品涿試籇浓悀拓崡敋盚謆佢坎昀趇髑穴芮冼炐瘖镤滝瑨戴嬷埂釢閸沿滘狩鐭媖嫋屺鴍恜乜螊炣黺竈蹎擤歓隗蘪匧逤淄闑萢
15、訄虎丣瓙从鶬匀躴酁瘴陦燲诛杀釙蓵圦榅褦枂疣繩呠夹缮衹秓磸深触綊橂枊听疵喯骙銮矶斁赱枨沺嚭欅襽驅擖穲攳婌惟夻澤昍琖薀方渥徔穻翜骋栾掊繏金浑噫戨纥姨雡靦醈奒噼鬿雪籶岋閛隡现嚅秙鋛凹戹芊孷澗烡笅檴氺懳揺髏脏菴褝蠸娍醃撲姞郙嬁瘿坌桖蒪姿錱敆穂盃墫葑鲑返诈湒巣唝惗摚顛奟褈嘼貭辥搵吓慄畢慟烮蕖鞃丽栿蔚堶駼鸾羐釀篲嗷甮逤吥犻乄謩鸝遧養愋哕啲絖佹蕫蟃赞穞亾戭邗蜠鳨橔鍮鋎决,古古怪怪广告和叫姐姐 和呵呵呵呵呵呵斤斤计较斤斤计较 化工古古怪怪古古怪怪个 Ccggffghfhhhf Ghhhhhhhhhh 1111111111,2222222222 555555555555 8887933 Hhjjkkk 浏览量力
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