基于振动测试的钢桥裂缝损伤检测试验研究.pdf

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1、第3l卷第5／6期东北电力大学学报Vo1．31．No．5／62011年12月JournalOfNortheastDianliUniversityDCoC．，2011文章编号：1005—2992(2011)05／06—0085—05基于振动测试的钢桥裂缝损伤检测试验研究李日兵，姜智文2，刘少洋2，孔宏艳。(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012；2．吉林省电力有限公司白山供电公司，吉林白山134300；3吉林省农电有限公司白山城郊分公司，吉林白山134300)摘要：结构损伤的发生会导致质量、刚度、约束条件等物理特性发生变化，进而引起振动特性的变化。利用某小型钢桥为试件开展人

2、工激振试验，对比损伤前后桥身加速度反应功率谱密度变化，检测到钢桥主梁腹板裂缝损伤的发生，并对发生位置准确定位。关键词：振动测试；桥梁；损伤；检测；定位中图分类号：U441+．4文献标识码：A随着社会的发展和科技的进步，许多工程结构正向着大型化、复杂化方面发展，如空间网格结构、大跨度桥梁、超高层建筑、海上平台等。结构在使用过程中，由于受气候、环境因素以及人为因素的影响，不可避免地出现不同程度的损伤。大型复杂结构的局部损伤，可能导致整个结构的失稳、破坏乃至坍塌，后果不堪设想。此外，结构的老化会导致结构强度降低、刚度退化，这也可以看作是结构的一种损伤，对老化结构的维修与加固所需的费用也是惊

3、人的。由此可见，由于结构损伤导致的后果不但会造成经济上的巨大损失，而且会对人的生命安全造成严重威胁。因此，及时发现、定位结构的损伤并对其进行准确的评估对社会、经济和人身安全都具有十分重要的影响。为了确保结构使用的安全性和耐久性，通过一定的检测手段和方法对结构的健康水平进行评估，已经成为国内外学术界和工程界的热点研究课题。损伤监测技术是一门新兴的多学科前沿知识相交叉的学科⋯。结构发生损伤会引起其刚度、质量、约束条件等物理属性的改变，进而导致结构振动参数如阻尼系数、固有振动频率、振型等的改变。也就是说，振动特性能够表现结构的健康状态，通过采集振动数据、分析振动参数可以实现监测重要结构是否

4、发生损伤，并进一步确定损伤的发生位置]。基于对结构振动数据的采集和分析，能应用于复杂结构并易于实现智能在线监测的健康监测理论与试验方法得到了较快的发展。这一检测方法的优点在于，不但能够检测到结构表面的损伤，而且能够检测到大型结构的内部损伤，并便于实现结构健康状况的实时在线监测，节约很多的人力物力。本文以某废弃铁路线的小型钢桥为试件，开展人工激振试验，研究通过振动响应模态参数变化检测并定位钢桥主梁裂缝损伤的方法。1原理在相同外界条件下，利用相同激振波对桥梁同一位置激振，裂缝损伤产生后，钢桥的刚度发生变化，并导致桥身各点的加速度反应发生变化，但各点的改变幅度和比例不同，与损伤的位置和程度

5、密切相关。利用积层压电驱动器激振桥身，通过分布在桥身上的传感器采集加速度反应数据，通过对比桥身不收稿日期：2011—06—20作者简介：李日兵(1980一)，男，山东省日照市人，东北电力大学建筑工程学院讲师，硕士，主要研究方向：结构损伤检测与防灾减灾．86东北电力大学学报第31卷同点位的加速度反应功率谱密度变化实现对桥梁损伤的检测与定位。结构的加速度反应为时域信号，虽在数据采集瞬间即可知信号的幅值，但如果将信号由时域表示改用频域表示，可以更加深刻的洞察信号以及产生信号的系统特征。这种转变通常采用基于高速傅里叶变换的计算机程序自动实现]。假设某一连续时域(￡)，定义域为[0，T]，则傅

6、立叶谱转换x(为：(=(￡)e(1)式中：i=J一1为频率(Hz)。式中各参数均采用工程单位(EU)，如m／s、g。功率谱为：l(l=(X(，(2)式中，表示复共轭，单位为(EU)。功率谱密度为：(=E[1(l]，(3)式中，]表示某一频段_厂的n次样本均值。用G(、G(分别表示损伤前、后，频段的功率谱密度值，则该频段加速度反应功率谱密度(PSD)变化量为：D(=lG∽一G(Jf)1．(4)按一定频率范围分割加速度反应数据成m段，记为一，各加速度传感器在不同频段的功率谱密度变化值用矩阵表示为：D()D。()D()D()D：()D：(fm)D=(5)D()D()D(fm)式中：为加速度

7、传感器编号；m为某一频率段数据编号。则(5)矩阵中各列元素表示同一频率、不同位置加速度传感器的PSD变化量，由损伤导致的各传感器的PSD变化值可表示为：T。talchange={。(。(⋯。(}．(6)2试验系统与设置2．1系统组成基于振动测量的损伤检测试验系统由激振部和加速度反应数据采集部两大部分组成，系统组成及仪器型号如图1所示。激振部由信号发生器、放大器、压电激振器组成。通过信号发生器设置激振波形、时间、频率等激振波参数，经过信号放大器放大激振信号，