橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用精品文檔

1、橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用報 告 簡 本“橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用”是交通部西部建設(shè)科技項目。該項目由交通部組織，項目承擔(dān)單位為招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，大連理工大學(xué)，重慶市公路局等科研院所和高等院校。該項目于2004年啟動，于2009年4月全面完成。本項目主要是針對橋梁振動測試和快速評定等問題和當(dāng)前橋梁管養(yǎng)的需求提出來的，對橋梁結(jié)構(gòu)振動測試技術(shù)及其在橋梁檢測中的應(yīng)用開展較系統(tǒng)的研究，重點研究如何測得準的問題，以及測試結(jié)果如何應(yīng)用的問題，即結(jié)合其它檢測方法，對橋梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況和承載能力的綜合評定進行補充和完善。通過本項目的開展和依托工程的具體實施，形成基于振動測試的

2、橋梁檢測成套技術(shù)，為橋梁的維護、維修、改造和加固提供必要的技術(shù)支持，為相關(guān)檢測規(guī)范的修訂提供相應(yīng)的技術(shù)支撐，彌補國內(nèi)外在這方面研究的不足，具有重大的工程應(yīng)用價值和研究意義。一、研究目標和主要研究內(nèi)容針對中小跨度梁橋，適當(dāng)兼顧中小跨度拱橋，進行橋梁振動測試調(diào)研、理論分析、試驗研究和依托工程實施。目以橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用研究作為本項目研究目的，重點解決測什么、如何測得準、測試結(jié)果怎么應(yīng)用的問題以及如何準確、快速地對橋梁技術(shù)狀況和承載力做出快速而準確的評定作為本項目的研究核心。主要分為五個專題展開研究工作，分別是： 1.不中斷或少中斷交通狀態(tài)下橋梁振動測試和模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)研究；2.面

3、向測試的橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模和分析技術(shù)研究；3.橋梁結(jié)構(gòu)的損傷敏感性指標體系研究；4.基于振動測試結(jié)果的橋梁狀態(tài)評估技術(shù)研究；5.橋梁振動測試技術(shù)指南編寫。各個專題均圓滿完成了研究任務(wù)，并形成了相應(yīng)的專題研究報告。在五個研究報告的基礎(chǔ)上形成了項目技術(shù)總報告。專題研究一主要解決在現(xiàn)場測試中，主要測試什么，如何準確地測試各個物理量等問題。旨在確定一套能夠在現(xiàn)場橋梁測試中應(yīng)用效果較好的傳感器優(yōu)化布設(shè)技術(shù)，并針對各類型梁橋提出一般的傳感器方案；針對不中斷或少中斷交通狀態(tài)下的橋梁環(huán)境振動激勵方法與橋梁振動系統(tǒng)識別方法；橋梁振動測試與分析處理的研制與開發(fā)，使以上研究成果更具有可操作性，易于推廣和應(yīng)用。可以按

4、照橋梁振動測試技術(shù)指南在指南基本要求的范圍內(nèi)快速、簡便的進行橋梁振動測試，為橋梁大面積的快速普查奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。專題研究二主要解決“如何有效地利用測試結(jié)果”。主要針對已建橋梁有限元模型修正的關(guān)鍵問題，結(jié)合當(dāng)前模型修正研究領(lǐng)域最新成果開展深入研究，建立方便于實際橋梁工程結(jié)構(gòu)模型修正方法，為實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)快速檢測、評估提供理論和技術(shù)支持。專題研究三主要解決“如何有效地利用測試結(jié)果”。主要是開展一些探索性的研究工作，嘗試用準靜態(tài)影響線對橋梁結(jié)構(gòu)進行損傷識別；總結(jié)國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)損傷敏感性指標方面的研究成果和應(yīng)用情況；探討對橋梁結(jié)構(gòu)損傷較為敏感的指標體系。專題研究四主要解決“如何準確、快速地對橋梁技術(shù)

5、狀況和承載能力評定 ”。本專題旨在對基于振動檢測結(jié)果的橋梁技術(shù)狀況技術(shù)進行探索性研究，重點放在解決快速的初步評估方法的研究上，為橋梁結(jié)構(gòu)大面積的快速普查奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)，為橋梁振動測試技術(shù)指南的編寫提供依據(jù)。專題五主要是進一步豐富和完善現(xiàn)有橋梁檢測評定體系，編制橋梁振動測試指南。圖1 各專題之間的研究關(guān)系各專題之間的研究關(guān)系如圖1所示。專題一和專題二是本項目的研究基礎(chǔ)，為其它專題提供所需要的基本數(shù)據(jù)和手段，以及如何利用這些數(shù)據(jù)進行精細有限元模型建模和分析；專題三是利用前兩個專題的測試數(shù)據(jù)和有限元分析技術(shù)來研究橋梁結(jié)構(gòu)的損傷敏感性指標，為橋梁結(jié)構(gòu)的評定提供依據(jù)；專題四是利用前三個專題和專題五的

6、研究成果，建立橋梁承載力快速評定方法；專題五是在總結(jié)本項目的研究成果和當(dāng)前振動測試既有研究成果的基礎(chǔ)之上，編制橋梁結(jié)構(gòu)振動測試技術(shù)指南，并為橋梁技術(shù)狀況和承載力快速評定的建立提供參考。二、主要研究成果經(jīng)過本項目的研究攻關(guān)，完成了合同規(guī)定的全部研究內(nèi)容，還超額完成了某些研究課題，使研究成果形成理論技術(shù)體系。取得的主要成果體現(xiàn)如下：通過本項目的研究實施，取得了以下主要研究成果：（1）研究報告1) 橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用研究技術(shù)總報告2) 專題研究報告之一：不中斷或少中斷交通狀態(tài)下橋梁振動測試和模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)研究報告3) 專題研究報告之二：面向測試的橋梁結(jié)構(gòu)有限元建模和分析技術(shù)研究報告

7、4) 專題研究報告之三：橋梁結(jié)構(gòu)的損傷敏感性指標體系研究報告5) 專題研究報告之四：基于振動測試結(jié)果的橋梁狀態(tài)評估技術(shù)研究報告6) 專題研究報告之五：橋梁振動測試與分析處理系統(tǒng)研制報告報告7) 專題研究報告之六：橋梁振動測試技術(shù)指南8) 橋梁振動測試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用研究工作報告（2）專利：2項。（3）軟硬件系統(tǒng)開發(fā)：2套。（4）人才培養(yǎng)及論文發(fā)表結(jié)合本項目研究，共培養(yǎng)研究生12名，其中博士研究生3名，碩士研究生9名，發(fā)表論文16篇。三、主要創(chuàng)新成果本項目在橋梁振動測試技術(shù)理論、應(yīng)用技術(shù)和軟硬件分析系統(tǒng)開發(fā)等方面取得了一系列的創(chuàng)新性工作。創(chuàng)新點一：提出了基于影響線的有限元模型修正技術(shù)本項目

8、首次提出了基于影響線的有限元模型修正方法，并在此基礎(chǔ)之上，還提出基于影響線和振動頻率的動靜多目標有限元模型修正方法，并在實橋中得到成功運用，為橋梁評定或快速評定提供了有力的工具。創(chuàng)新點二：建立了基于影響線的橋梁結(jié)構(gòu)損傷敏感性指標體系本項目首次提出了基于影響線及其一、二階位置靈敏度的橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別方法，并發(fā)現(xiàn)了撓度（應(yīng)變）影響線的二階位置導(dǎo)數(shù)和影響線的相關(guān)度向量對損傷較為敏感，并在室內(nèi)模型和實橋中得到成功運用；揭示了準靜態(tài)撓度（應(yīng)變）影響線對加載位置的一、二階靈敏度與某點處變形率、變形加速度之間的變化關(guān)系；特別是當(dāng)加載速度為常數(shù)時，準靜態(tài)撓度（應(yīng)變）影響線對加載位置的二階靈敏與該點處的變形加速

9、率成線性變化關(guān)系，即；為橋梁損傷敏感性研究提供了可靠的敏感性指標。創(chuàng)新點三：建立了基于實測準靜態(tài)廣義影響線的橋梁承載力快速評定方法本項目首次提出了一套完整的基于實測準靜態(tài)廣義影響線的橋梁快速檢測與評定方法，并在實橋中取得了良好的效果。其中基于實測準靜態(tài)廣義影響線的評定方法主要包括：(1) 基于實測準靜態(tài)廣義影響線的直接對比評定法；(2) 基于實測準靜態(tài)廣義影響線的模型修正評定法。基于準靜態(tài)廣義影響線的橋梁承載力快速評定框圖見圖2所示。 第一種評定方法是基于準靜態(tài)廣義影響線的直接檢算評定法，該方法主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)的載荷等級和布載車道，進行跑車試驗，獲取相應(yīng)的廣義影響線，并用實測的影響線代替計算影響

10、線對橋梁結(jié)構(gòu)進行直接檢算和橋梁評定。但需注意橋梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，實測準靜態(tài)廣義影響線難以準確計算恒載作用下的響應(yīng)，該方法不能采用。一般情況下，對于中小跨度直梁橋，該方法可以采用。圖2 基于準靜態(tài)廣義影響線的橋梁結(jié)構(gòu)承載力快速評估流程圖第二種即直接對比評定法直接，該方法又分別為兩類：直接比較評定法和直接組合評定。直接比較評定方法是在現(xiàn)狀檢查、簡單檢測以及檢算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，通過跑車試驗獲得實測的橋梁結(jié)構(gòu)準靜態(tài)廣義影響線，同時采用有限元方法模擬跑車試驗過程，得到計算的準靜態(tài)廣義影響線并和實測的準靜態(tài)廣義影響線進行對比分析，根據(jù)對比情況直接進行評定。而直接組合評定方法是用實測的準靜態(tài)廣義影響線對橋梁

11、結(jié)構(gòu)進行檢算，根據(jù)確定的荷載等級和布載車道，進行跑車試驗，獲取相應(yīng)的廣義影響線，然后將其按照靜載試驗方案進行組合，用組合值與荷載試驗的理論控制值進行直接對比分析來快速評定橋梁的承載能。第三種評定方法是用實測的準靜態(tài)廣義影響線數(shù)據(jù)來修正有限元模型，然后用修正后的有限元模型來預(yù)測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況并對橋梁結(jié)構(gòu)進行評價，即模型修正評定法；若通過上述評定方法評定橋梁的技術(shù)狀況后還存在一定的疑問，沒有十足的把握，則需要采取進一步的特殊檢查或靜力荷載試驗等檢測方法。該體系豐富和完善了現(xiàn)有的橋梁檢測評定體系，也為不中斷或少中斷交通的橋梁結(jié)構(gòu)快速評定的研究提供一條可行的思路和方法。創(chuàng)新點四：隨機子空間法中塊Han

12、kel矩陣QR分解的快速算法本項目提出了一種專門針對該類型的塊Hankel矩陣的QR分解算法，僅計算R矩陣，比通用的QR分解算法相比，計算精度非常接近，在計算效率上有顯著提高。實用技術(shù)一：傳感器優(yōu)化布設(shè)的一種統(tǒng)一方法對橋梁振動測試測點優(yōu)化布設(shè)開展了較系統(tǒng)研究，提出了傳感器優(yōu)化布設(shè)的一種統(tǒng)一方法，該算法可以實現(xiàn)一次傳感器布置，同時測試前幾階模態(tài)的目的，并給出了常見梁橋的前幾階模態(tài)參數(shù)測試的傳感器參考布設(shè)方案。實用技術(shù)二：高精度的短索索力識別方法本項目提出了高精度的短拉索索力識別方法，并開發(fā)了同時適合長索和短索的索力識別分析軟件，在成橋試驗或施工監(jiān)控中的索力識別取得了很好的效果。實用技術(shù)三：萬向無

13、級調(diào)力調(diào)頻起振機自主研制了橋梁振動測試萬向無級調(diào)力調(diào)頻起振機，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動可靠，調(diào)節(jié)簡單，具有任意改變激振力大小及方向和激振頻率十分容易調(diào)節(jié)等特點，獲國家專利1項。圖3 萬向無級調(diào)力調(diào)頻起振機實用技術(shù)四：影響線快速測試系統(tǒng)自主研制了一套影響線快速測試系統(tǒng)，只需荷載車輛沿著車道緩慢通過全橋即可完成影響線的測試和繪制，整個過程自動化程度高，極大縮短了影響線測試時間，大大提高了影響線測試的效率和精度。其中橋梁振動測試用的車輛位置定位儀，獲國家專利1項。圖4 影響線快速測試系統(tǒng)實用技術(shù)五：橋梁振動測試與分析系統(tǒng)自主研制了橋梁振動測試與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合橋梁振動測試的具體要求，是一套經(jīng)濟實用的、具有

14、自主知識產(chǎn)權(quán)的橋梁振動測試分析系統(tǒng)，主要包括振動信號同步采集、信號處理和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析等功能，信號分析處理的精度和效率和國外最先進的分析系統(tǒng)相當(dāng)。圖5 橋梁振動測試與分析處理系統(tǒng)實用技術(shù)六：面向測試的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析與模型修正軟件自主研制了具有自主版權(quán)、操作性強、滿足規(guī)范和指南要求的面向測試對象的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析與模型修正系統(tǒng)，除了具有常規(guī)有限元軟件的功能，該系統(tǒng)還具有如下特點：(1) 可以實現(xiàn)參數(shù)化建模，程序系統(tǒng)模板中的構(gòu)件定義構(gòu)成了一個以控制參數(shù)為對象的層次性結(jié)構(gòu)，參數(shù)數(shù)值可以被用戶修改, 而其幾何形狀也做出相應(yīng)的調(diào)整，最終通過參數(shù)化建模簡化橋梁結(jié)構(gòu)建模過程；(2) 可以充分利用實測數(shù)據(jù)

15、對有限元模型進行修正；(3) 可以實現(xiàn)和當(dāng)前的橋梁評定等相關(guān)規(guī)范或指南相結(jié)合。圖6 面向測試的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分析與模型修正軟件實用技術(shù)七：編寫了首部橋梁振動測試技術(shù)指南編寫了首部橋梁振動測試技術(shù)指南，該指南可操作性強，系統(tǒng)地總結(jié)了橋梁振動測試技術(shù)的研究成果，為橋梁結(jié)構(gòu)提供了統(tǒng)一的動力檢測與評定方法，尤其是為不中斷或少中斷交通的橋梁結(jié)構(gòu)快速評定提供具體的方法，該指南具有系統(tǒng)完善、技術(shù)上可行、操作方便等特點。三、經(jīng)濟社會效益及推廣應(yīng)用前景本項目研究成果創(chuàng)新點多、實用性強，形成了包括振動測試、計算分析、快速評定等內(nèi)容的成套的、先進的、實用的橋梁振動測試技術(shù)和評估技術(shù)，提高了橋梁振動測試和評定的技術(shù)水

16、平，豐富和完善了現(xiàn)有橋梁檢測和評估技術(shù)體系，上述研究成果填補了國內(nèi)外在橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況普查、承載能力快速評價領(lǐng)域多項空白，總體上達到了國際領(lǐng)先水平。為橋梁常規(guī)檢查、橋梁結(jié)構(gòu)快速普查等提供了有力的工具和指南，也為不中斷交通或少中斷交通提供新的途徑和思路，這些技術(shù)成果為今后進一步開展這方面的科研工作打下良好的基礎(chǔ)，有力地促進了科技進步?！皹蛄赫駝訙y試技術(shù)及其在檢測中的應(yīng)用”項目的相關(guān)科研成果具有良好的推廣應(yīng)用前景。其中基于準靜態(tài)影響線的橋梁承載力快速評定方法在公路、鐵路和城市中小跨度橋梁的檢測評定中可以廣泛推廣應(yīng)用；橋梁索力（含短索索力）識別技術(shù)在橋梁承重索纜檢測中也可廣泛推廣應(yīng)用；研制的起振機在

17、橋梁、建筑、水壩等領(lǐng)域都可推廣應(yīng)用；結(jié)構(gòu)分析與模型修正軟件系統(tǒng)和橋梁振動測試與分析軟硬件系統(tǒng)也達到了較成熟的程度，在此基礎(chǔ)上再做少量的完善工作可達到推向市場的要求，在橋梁工程領(lǐng)域及眾多其他領(lǐng)域具有非常廣泛的推廣應(yīng)用前景。應(yīng)用本項目研究成果，可以大幅度提高西部地區(qū)乃至全國公路橋梁檢測水平和評估效率，也為量大面廣的中小跨度橋梁技術(shù)狀況普查和承載力快速初步評定提供了新的高效率技術(shù)手段，對保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，避免和減少橋梁結(jié)構(gòu)的安全事故，具有重要意義。同時也為橋梁養(yǎng)護和維修提供技術(shù)依據(jù)，對減少橋梁養(yǎng)護和維修費用，具有良好的經(jīng)濟效益。此外，從保障國民經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全考慮，也具有良好的社會

18、效益，本項目成果還可推廣應(yīng)用到鐵路橋梁、城市橋梁的振動測試和評估中，因此也將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。本項目研究的振動測試與評定方法與常規(guī)的定期檢測相比，檢測和評定結(jié)果更加準確和可靠，并且能夠深入地反應(yīng)橋梁的實際響應(yīng)狀況，若僅以按每年減少2000座橋梁的靜載試驗計算，靜載試驗費用平均成本按每座橋5萬元計算，則每年可節(jié)約檢測成本近億元。此外，本項目所開發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)計算分析軟件和振動測試分析軟件也具備良好的推廣應(yīng)用前景，經(jīng)進一步完善后可在國內(nèi)推廣應(yīng)用，以每套軟件3萬元計算，計算分析軟件和振動測試與分析軟件各推廣100套計算，共計可創(chuàng)造經(jīng)濟效益近600萬元。四、項目總體評價本研究項目具有難度大、難點多、研究領(lǐng)域廣、工作量大等特點，許多項目的研究內(nèi)容在國內(nèi)外都屬于全新的領(lǐng)域，需要進行大量的探索性工作，才能達到預(yù)期的效果，但項目組經(jīng)過5年的深入研究，不僅完成了項目任務(wù)書規(guī)定的研究內(nèi)容，而且部分內(nèi)容還超額完成了合同所規(guī)定的任務(wù)，取得了多項創(chuàng)新性研究成果，達到了項目任務(wù)書規(guī)定的主要技術(shù)經(jīng)濟指標要求和考核目標要求，在橋梁結(jié)構(gòu)快速評定等領(lǐng)域取得了實質(zhì)性的進展。培養(yǎng)了一批高素質(zhì)交通科技人才，取得了兩項國家專利，自主研制了萬向無級調(diào)力調(diào)頻起振機、影響線快速測試系統(tǒng)、面向測試對象的橋梁結(jié)構(gòu)有限元分