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基于车致振动响应的含分布损伤桥梁结构识别方法李海龙;吕中荣;刘济科【摘要】采用 Newmark 直接积分法和龙格库塔法求解了非线性车桥耦合系统的振动响应，并利用加速度响应灵敏度方法对含裂纹梁结构进行分布类型的损伤识别。
文中车辆采用含非线性弹簧的半车模型，桥梁被离散为欧拉梁单元，裂纹引起的桥梁损伤模拟为桥梁局部刚度的线性分布的减少。
数值算例表明，在5％噪声情况下，加速度响应灵敏度方法依然可以较准确地识别出桥梁损伤的分布情况。
%A distributed damage identification approach under moving vehicle loads is presented based on dynamic response sensitivity.Numerical studies are carried out on a simply supported beam under a vehicle with nonlinear springs for identication of distributed damage due to the bined Newmark direct integration method and Runge-kutta method are used to calculate the dynamic responses of the cou-pled bridge-vehicle system.The numerical results show that the distributed damage (s)can be identified accurately even with 5% noise in the measured acceleration data.And more accelerometers are needed if there are multiple cracks in the bridge.【期刊名称】《中山大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P10-13)【关键词】车桥耦合系统;动力响应;非线性弹簧;裂纹识别;灵敏度【作者】李海龙;吕中荣;刘济科【作者单位】中山大学应用力学与工程系，广东广州 510275;中山大学应用力学与工程系，广东广州 510275;中山大学应用力学与工程系，广东广州 510275【正文语种】中文【中图分类】O39在过去几十年中，随着经济和科技水平的发展，世界各地修建了越来越多的大跨度桥梁。
预应力混凝土的损伤识别与修复技术研究一、引言预应力混凝土是一种特殊的混凝土结构，它具有很好的耐久性、抗震性、承载能力和变形能力，因此广泛应用于大型建筑、桥梁、隧道、水利工程等领域。
然而，由于预应力混凝土在使用过程中受到各种外力的作用，如龟裂、碳化、锈蚀等因素，预应力混凝土结构的损伤和老化问题日益凸显。
因此，预应力混凝土的损伤识别和修复技术的研究变得越来越重要。
二、预应力混凝土的损伤识别技术1. 损伤识别方法预应力混凝土结构的损伤识别方法主要包括外观观察、声发射技术、应变测量、红外热像技术、无损检测技术和图像处理技术等。
其中，外观观察是最简单、最直接的损伤识别方法，但是它只能发现表面的损伤，无法发现深层的损伤。
声发射技术可以在混凝土结构发生裂缝或断裂时发出声波，通过接收声波来识别结构的损伤情况。
应变测量可以通过应变计来测量混凝土结构的应变变化，从而识别结构的损伤情况。
红外热像技术可以通过红外相机来检测混凝土结构的温度分布情况，从而识别结构的损伤情况。
无损检测技术可以通过超声波、X射线、电磁波等方式来检测混凝土结构的内部缺陷情况，从而识别结构的损伤情况。
图像处理技术可以通过对混凝土结构的图像进行分析，来识别结构的损伤情况。
2. 损伤识别指标预应力混凝土结构的损伤识别指标主要包括龟裂、变形、应变、温度、声波等。
龟裂是预应力混凝土结构最常见的损伤形式，因此龟裂的宽度、长度和分布情况是最常用的损伤识别指标之一。
变形是评估混凝土结构变形能力的重要指标，因此变形的大小和分布情况也是常用的损伤识别指标之一。
应变是评估混凝土结构受力情况的重要指标，因此应变变化情况也是常用的损伤识别指标之一。
温度是评估混凝土结构受热情况的重要指标，因此温度变化情况也是常用的损伤识别指标之一。
声波是评估混凝土结构断裂情况的重要指标，因此声波变化情况也是常用的损伤识别指标之一。
三、预应力混凝土的修复技术1. 修复方法预应力混凝土结构的修复方法主要包括钢板加固、碳纤维加固、纤维增强聚合物加固、喷涂混凝土修复等。
基于振型导数的混凝土梁损伤识别方法摘要:基于弯曲梁横向振动理论,得到常数因子a4,它是振型的四阶导数与振型的比值。
不同区域常数因子a4的不同意味着局部刚度的改变,局部刚度的改变意味损伤的存在,因此可将常数因子a4可以作为损伤指标。
运用ANSYS软件对局部损伤的钢筋混凝土梁进行数值仿真,得到前四阶模态振型,然后进行数值分析。
结果表明,基于振型导数的损伤指标可以对混凝土结构进行损伤定位和损伤程度的识别。
关键词:混凝土梁损伤识别振型导数建筑结构中钢筋混凝土构件,由于其具有良好的力学性能而被广泛使用。
然而在工程实践中,钢筋锈蚀和裂缝的存在对混凝土结构的危害性很大,故研究混凝土构件损伤识别有重要的现实意义。
由于结构损伤会导致结构动力特性的改变,基于这一原理,可以利用结构模态参数变化(固有频率、振型、阻尼等)来进行结构损伤检测。
近些年来,随着计算机软硬件技术、传感器技术、信息技术、振动测试技术的快速发展,基于振动特性的损伤识别方法已成为国内外学者广泛关注的课题。
模态振型是结构具体结点的位移,不同位置或不同程度的损伤将会导致不同的振型。
因此振型数据中包含着更多的损伤信息,模态振型的变化对损伤较为敏感,特别是对结构损伤进行定位,利用固有振型作为基本参数的方法识别损伤更加准确。
振型变化的损伤识别方法有以位移类参数(位移、位移模态、柔度矩阵等)和以应变类参数(应变、应变模态、曲率模态等)为基础的损伤定位方法。
这些方法均需要建立结构初始正常状态时的有限元模型作为识别基准,然后用当前结构振型实测数据修正结构模型,通过比较结构修正前后的模型物理参数来识别结构的损伤状况。
本文主要介绍了一种基于振型导数的损伤识别指标,它不需要初始状态的有限元模型作为识别基准,只需测得已发生损伤结构的模态信息就能识别结构损伤的位置和程度。
1 弯曲梁的横向振动与损伤识别原理首先分析欧拉梁,即不考虑转动惯量和剪切变形时的固有振动特性。
这里仅讨论等截面直梁的情况。
基于非线性振动的桥梁损伤诊断随着交通网络的不断发展，桥梁作为重要的交通基础设施，承载着巨大的交通压力。
然而，长期使用和外界环境的影响，桥梁会出现各种各样的损伤，这给桥梁的安全性和可靠性带来了严峻的挑战。
因此，如何及早、准确地对桥梁的损伤进行诊断，成为了桥梁保养和维修的重要任务之一。
在传统的桥梁损伤监测和诊断方法中，往往采用线性动力学理论进行分析。
然而，对于非线性振动行为的桥梁，纯粹依靠线性动力学理论的分析方法并不适用。
因此，基于非线性振动的桥梁损伤诊断方法逐渐得到了研究和应用。
非线性振动的桥梁在受外载荷作用下会产生特殊的振动响应，这与其结构损伤状态密切相关。
因此，通过分析和识别这些特殊的非线性振动特征，可以实现桥梁损伤的早期发现和准确诊断。
基于非线性振动的桥梁损伤诊断方法主要包括两个方面的内容：非线性振动特征提取和损伤诊断模型的建立。
首先，非线性振动特征提取是桥梁损伤诊断的关键步骤之一。
常用的方法包括频率响应函数、周期加速度响应和频域分析等。
通过对这些指标进行分析，可以获取到桥梁结构在非线性振动下的振动特征，从而为后续的损伤诊断提供依据。
其次，建立准确可靠的损伤诊断模型是基于非线性振动的桥梁损伤诊断的核心。
常用的模型包括神经网络模型、支持向量机模型和回归分析模型等。
这些模型可以通过训练，学习到桥梁结构在不同损伤状态下的振动特征，从而实现损伤的准确诊断。
总结起来，基于非线性振动的桥梁损伤诊断是一种前沿的研究方向，其具有诊断准确、灵敏度高等优点。
通过分析和识别桥梁结构在非线性振动下的特殊响应，可以实现对桥梁损伤的早期发现和准确诊断。
然而，目前在这一领域仍然存在一些挑战，比如非线性振动特征提取方法的选择、损伤诊断模型的构建等。
因此，需要进一步深入研究，不断改进和完善基于非线性振动的桥梁损伤诊断方法，提高其在实际应用中的可靠性和精度。
为了保障桥梁的安全性和可靠性，在桥梁养护和维修中，基于非线性振动的桥梁损伤诊断方法有着广阔的应用前景。
1 绪论1.1 结构损伤识别研究的背景和意义近年来，随着科学的不断发展，越来越多现代土木工程结构正向着大型化、复杂化和智能化方向发展，如超高层建筑、大跨度网架结构、新型桥梁等。
由于这些建筑在使用期间不可避免地要受到周围环境的腐蚀、超载荷、强风、地震、疲劳以及材料老化、构件缺陷、人行破坏等危害性事件，这些都会造成结构不同程度的损伤积累和抗力衰减，从而降低了抵抗自然灾害、甚至正常环境作用的能力，在极端情况下将引发灾害性的突发事件，造成巨大的经济损伤和人员伤亡。
至20世纪末，我国已有40亿平方米以上的房屋建筑使用年限达40年，一五期间建成的工业厂房大多已接近或超过其自然寿命。
不少房屋有两方面的问题妨碍它们继续发挥作用：（1）安全度严重低于建筑设计规范要求的建筑物多，建筑倒塌事故多；（2）建筑标准低，建筑物内部环境差，不适合现代化生活和生产工艺及设备要求。
这个局面要求我们尽快大力加强已有建筑的诊断、维修以及加固技术的全面研究。
从经济发达国家的工程建设历史分析得出，建筑业的发展大体经历三个阶段：第一阶段为大规模新建；第二阶段是新建与维修改造并重；第三阶段是除部分新建外，重点转向旧建筑的维修、改造。
我国在一五期间内新建筑物投资占基建总投资的95%，而六五期间只占45%，说明我国已开始由第二阶段步入第三阶段。
因此正确诊断评估这些建筑结构的破损状态，预测下一个目标使用年限内结构的可靠度，有着重大的社会效益和经济效益。
由于结构损伤，却又无法准确预估引起的这些灾难给人们生命安全造成的影响难以估计。
因此为了预防此类事故的再次发生，保证结构的安全可靠性，需要建立完善的结构健康监测系统从而能够快速监测损伤的发生、损伤的程度和损伤的位置，帮助人们对结构进行及时的安全预测和结构修复，以便降低结构损伤积累的程度，降低损害的风险。
并且，随着经济的发展，大跨、高层及复杂工程结构的建设，使结构失效带来的损失风险增大正基于上述背景，因此结构的损伤识别与健康监测成为当前土木工程十分活跃的研究领域，并迅速发展成为土木工程的一门重要分支学科。
基于振动分析的桥梁结构损伤识别技术桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，其结构的安全性和可靠性至关重要。
随着时间的推移、交通流量的增加以及环境因素的影响，桥梁结构可能会出现各种损伤，如裂缝、腐蚀、疲劳等。
这些损伤如果不能及时被发现和修复，可能会导致桥梁结构的性能下降，甚至引发严重的安全事故。
因此，如何有效地识别桥梁结构的损伤，成为了桥梁工程领域的一个重要研究课题。
振动分析作为一种无损检测技术，在桥梁结构损伤识别中得到了广泛的应用。
振动分析的基本原理是基于结构的动力特性，如固有频率、振型和阻尼比等，与结构的物理参数（如质量、刚度和阻尼）之间的关系。
当桥梁结构发生损伤时，其物理参数会发生变化，从而导致结构的动力特性也发生改变。
通过测量和分析桥梁结构在振动激励下的响应，可以获取其动力特性，并与未损伤时的基准数据进行对比，从而判断结构是否存在损伤以及损伤的位置和程度。
在基于振动分析的桥梁结构损伤识别中，常用的振动激励方式包括自然激励（如风、交通荷载等）和人工激励（如锤击、激振器等）。
自然激励通常是免费的，但激励信号的随机性较大，不利于数据分析。
人工激励可以提供更可控和更具重复性的激励信号，但需要专门的设备和操作，成本较高。
测量桥梁结构振动响应的传感器主要有加速度传感器、位移传感器和速度传感器等。
加速度传感器由于其测量精度高、响应速度快等优点，在桥梁结构振动测量中应用最为广泛。
传感器的布置方案对于获取准确和全面的振动响应数据至关重要。
一般来说，传感器应布置在结构的关键部位，如跨中、支座处、节点等，以捕捉结构的主要振动模态。
在获取了桥梁结构的振动响应数据后，需要对数据进行预处理和分析。
预处理包括去除噪声、滤波、积分和微分等操作，以提高数据的质量和可用性。
数据分析的方法主要有频域分析和时域分析两种。
频域分析通过对振动响应数据进行傅里叶变换，得到结构的频谱特性，从而识别结构的固有频率和振型。
时域分析则直接对振动响应的时间历程进行分析，如通过时域信号的特征提取、系统识别等方法来判断结构的损伤。
预应力混凝土梁的损伤识别与评估研究一、引言预应力混凝土梁作为重要的结构体系，在工程建设中起着至关重要的作用。
然而，随着时间的推移和外界环境的影响，预应力混凝土梁可能会受到各种各样的损伤，如龟裂、腐蚀、疲劳等，这些损伤的存在会对梁的强度和稳定性产生一定的影响，因此对预应力混凝土梁的损伤识别和评估具有重要意义。
二、预应力混凝土梁的损伤类型1. 龟裂损伤预应力混凝土梁常见的龟裂损伤形式有梁底裂缝、梁面裂缝和梁侧裂缝。
龟裂的形成与混凝土的材料性质、预应力钢筋的应力状态、外部荷载等因素有关。
2. 腐蚀损伤预应力混凝土梁中的预应力钢筋易受到腐蚀的影响，腐蚀会导致钢筋的截面积减小，从而降低钢筋的承载能力。
3. 疲劳损伤预应力混凝土梁在长期的使用过程中，受到重复荷载的作用，易产生疲劳损伤。
疲劳损伤主要表现为钢筋的弯曲、拉伸和扭曲等变形，进而导致梁的开裂、变形等损伤形式。
三、预应力混凝土梁的损伤识别方法1. 监测技术预应力混凝土梁的监测技术主要包括应变、振动、声学等监测方法。
这些方法可以通过采集梁的应变、振动、声学信号等数据，通过分析这些数据，可以得到梁的实际受力状态和损伤情况。
2. 损伤识别模型损伤识别模型是一种基于统计学原理和机器学习算法的损伤识别方法。
通过对已有的损伤数据进行统计分析和建模，得到损伤识别模型，再利用这个模型对新的梁进行损伤识别。
四、预应力混凝土梁的损伤评估方法1. 强度评估强度评估是一种基于弹性理论的结构力学方法，通过计算梁的应力、应变等力学参数，得到梁的强度指标，进而评估梁的强度状况。
2. 剩余寿命评估剩余寿命评估是一种基于疲劳理论的损伤评估方法，通过对梁的疲劳性能进行测试和分析，得到梁的剩余寿命，进而评估梁的使用寿命。
五、结论预应力混凝土梁作为重要的结构体系，在工程建设中起着至关重要的作用。
然而，梁的损伤会对其强度和稳定性产生一定的影响，因此对预应力混凝土梁的损伤识别和评估具有重要意义。
第31卷第2期 Vol.31 No.2 工 程 力 学2014年 2 月 Feb. 2014 ENGINEERING MECHANICS190———————————————收稿日期：2012-08-24；修改日期：2013-01-29通讯作者：曹 晖(1969―)，男，四川内江市人，教授，博士，博导，从事结构抗震及结构健康监测研究(E-mail: caohui@). 作者简介：郑 星(1986―)，男，湖北荆州市人，硕士生，从事结构健康监测研究(E-mail: zhengx_cqu@)；华建民(1974―)，男，河南商丘市人，副教授，博士，从事结构工程及施工技术研究(E-mail: hjm191@)； 文章编号：1000-4750(2014)02-0190-05基于非线性振动特性的预应力混凝土梁损伤识别曹 晖1,2，郑 星1，华建民1,2，胡芝茂1(1. 重庆大学土木工程学院，重庆 400045；2. 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆 400045)摘 要：对2根后张有粘结预应力混凝土简支梁分别进行单调加载和二级等幅值疲劳加载试验，在各级加载后对试验梁进行动测得到自由振动加速度信号，对加速度信号进行盲源分离并进行Hilbert 变换，得到各损伤状态下梁的频率-振幅曲线簇，分析其非线性振动特性随损伤状态的变化规律。
结合裂缝开展情况和钢绞线的应力变化，探讨梁的非线性振动特性的变化与其损伤之间的关系。
结果表明非线性振动特性适合于预应力混凝土梁的损伤 检测。
关键词：预应力混凝土梁；损伤检测；非线性动力特性；盲源分离；Hilbert 变换中图分类号：TU311 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2012.08.0611DAMAGE DETECTION OF PRESTRESSED CONCRETE BEAMS BASEDON NONLINEAR DYNAMIC CHARACTERISTICSCAO Hui 1,2 , ZHENG Xing 1 , HUA Jian-min 1,2 , HU Zhi-mao 1(1. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area (Chongqing University), Ministry of Education, Chongqing 400045, China)Abstract: Two post-tensioning tests for bond prestressed concrete beams were used to carry out a static test and a two-stage fatigue test respectively. Under each damage level, the beams were excited by a hammer and their acceleration signals of free vibration were recorded. Then the signals were processed by the blind source separation algorithm and Hilbert transform to obtain frequency-amplitude curves, from which the change of nonlinear dynamic characteristics of the beams with the damage level was analyzed. The strain of the prestressing strand and cracking of the beams under each damage level were utilized to investigate the relation between the change of the nonlinear dynamic characteristics and the damage of the beams. The results prove that the nonlinear dynamic characteristics can be used to detect the damage of prestressed concrete beams.Key words: prestressed concrete beam; damage detection; nonlinear dynamic characteristics; blind sourceseparation; Hilbert transform预应力混凝土结构在使用期间，由于荷载、疲劳、腐蚀、老化及其它环境条件等众多不利因素的影响，将不可避免地产生损伤积累，导致混凝土开裂、预应力损失，甚至破坏等事故。
因此，在役预应力混凝土构件的工作性能评价，是当前结构健康监测的一个重要方面。
当混凝土构件出现裂缝后，会产生呼吸裂缝效应[1]。
所谓呼吸裂缝，即裂缝在振动中时张时合。
振幅小的时候，裂缝闭合，此时结构刚度较大；振幅大的时候，裂缝张开，此时结构刚度变小。
随着工程力学191裂缝在振动过程中的张合，结构刚度随振幅的变化而变化，导致结构频率也随振幅而改变，即呈现非线性振动特性。
实际结构的动力特征通常都表现出或强或弱的非线性。
目前，绝大部分损伤识别研究都是基于线性振动理论，即假定结构在损伤前后的振动都是线弹性的。
采用非线性振动理论对混凝土结构进行损伤识别的研究还较少。
Neild[1]、任宜春[2]、易伟建[3]、王利恒[4―5]和郑晓宇等[6]分别研究了钢筋混凝土梁和无粘结预应力混凝土梁的非线性振动特性，并探讨了将其用于损伤检测的可行性。
本文采用2根后张有粘结预应力混凝土简支梁分别进行单调加载和二级等幅疲劳加载试验，测量各损伤状态下预应力钢绞线的应力变化和梁的挠度，并记录裂缝开展的情况，同时进行动力测试获得梁振动加速度信号。
然后采用盲源分离技术[7]和Hilbert变换得到梁的频率-振幅曲线簇，探讨其损伤与非线性振动特性的关系。
1 试验概况1.1 构件尺寸和材料2根试验梁完全相同，编号为X和SZ，分别用于单调加载和疲劳加载。
如图1所示，截面尺寸为180mm×300mm，长度为4200mm，计算跨径为3900mm，梁上、下分别配置和，均为HRB335级钢筋，箍筋为HPB235级钢筋，混凝土的强度等级为C50，预应力钢筋为1束7Φs15.2直线型钢绞线，张拉控制应力为0.7f ptk，张拉后立即灌浆。
梁端为铰支座。
2 12图1 构件截面尺寸和配筋及加载图Fig.1 Dimensions of the beams and loading arrangement1.2 试验仪器及测点布置采用5个百分表和5个加速度传感器均匀地分布在试验梁上，分别采集加载过程中的挠度和动测时的加速度响应。
加速度传感器的布置见图2。
在钢绞线两端支座处、跨中和两三分点处粘贴5片型号为B×120-2AA的应变片测量钢绞线的应变，在SZ梁预应力张拉端的钢垫板上安置量程为30t的光纤光栅锚索计，测量梁端钢绞线的拉力。
2 试验内容2.1 单调加载X梁分5级加载至0.8倍的计算极限荷载[8]，在接近开裂荷载时，适当减小加载量，以便较准确地找到开裂荷载。
截面开裂后，依次加载到各级荷载值并持荷5min，待百分表读数、裂缝发展基本稳定后，观察并记录梁的裂缝开展情况，采集百分表和应变片读数，然后卸载到零。
最终的裂缝开展如图3所示。
钢绞线应变片在试验过程中的读数如表1所示。
由于每次加载前，应变片的读数均清零，故表中的加载读数为持荷时钢绞线较之加载前的应变改变，卸载后的读数为卸载后钢绞线的残余应变。
图2 加速度传感器布置示意图Fig.2 Acceleration sensors layout192 工程力学观察表1中的数据，可以发现梁端、三分点处的应变片读数围绕跨中基本呈对称关系。
从持荷读数看，梁开裂前(45kN前)，应变片读数变化不大，稍有增长；从梁开裂到钢筋屈服前，应变片读数的增长速度明显加快；从65kN到75kN，钢筋屈服，应变片读数基本保持不变；从75kN到120kN，这期间应变片读数的增加速度达到最大。
从卸载读数看，梁开裂前，卸载后钢绞线基本无残余应变；从梁开裂到钢筋屈服期间，卸载后钢绞线主要在跨中处发生局部回缩(跨中处的残余应变为负值)；在钢筋屈服后，卸载后钢绞线整体回缩(所有残余应变都为负值)；在接近梁的极限承载能力阶段，卸载后钢绞线整体伸长(所有残余应变都为正值)。
综上所述，各持荷状态下，钢绞线应变值从线性的增长，到开裂后转变为幅度明显增加的非线性增长，最后到屈服后极大的增长；卸载读数的规律，则是从基本无残余应变，到开裂后局部的回缩，再到钢筋屈服后的钢绞线整体回缩，最后到接近极限承载能力阶段的钢绞线整体伸长。
2.2 疲劳加载疲劳试验采用最小应力和最大应力水平的等幅正弦波加载，疲劳加载下限为0.05P u(P u为单调加载试验确定的极限承载力)，低幅值疲劳加载上限为0.3P u，略小于SZ梁的开裂荷载，高幅值疲劳加载上限为0.55P u，此时梁的钢筋即将屈服。
SZ梁在加载过程中的裂缝开展情况见表2。
表2 SZ梁疲劳试验中裂缝开展情况Table 2 Cracking of SZ beam during fatigue test损伤状态加载情况裂缝开展情况SZ-1 加载前无裂缝SZ-2 低幅值静载后第一条裂缝在右侧加载点处，宽0.05mm，长5cmSZ-3 5万次加载点之间梁两侧不断出现微小裂缝SZ-4 10万次加载点左侧两面出现3条裂缝，裂缝最宽为0.07mm，长9cmSZ-5 50万次加载点右侧两面出现两条裂缝，其它裂缝基本不变SZ-6 100万次多条裂缝宽度增加了0.03mm，裂缝最宽0.08mm，长11cmSZ-7 150万次裂缝发展程度较小SZ-8 200万次左侧加载点与跨中出现一条裂缝，其它无明显发展SZ-9 高幅值静载后普通钢筋屈服，裂缝急剧发展贯通，正反两面各12条裂缝均匀分布在加载点之间SZ-10 5万次裂缝最宽为0.31mm，高为18cmSZ-11 15万次右侧加载点处裂缝宽达到1.38mm，形成主裂缝SZ-u 疲劳破坏上部混凝土压溃，下部混凝土脱落疲劳试验过程中，锚索计读数在159.9kN~ 160.7kN范围内波动，表明梁端部钢绞线应力变化很小。
