一种利用频域传递性对组合桥梁结构剪力连接件损伤检测的方法

技术领域

本发明属于桥梁损伤检测技术领域，特别是涉及一种利用频域传递性对组合桥梁结构剪力连接件损伤检测的方法。

背景技术

钢-混凝土组合结构具有良好的力学性能和便利施工特点，采用组合技术建造桥梁能够产生很高的综合经济效益，近年来国内外的有关研究和工程应用越来越多。随着组合桥梁结构的推广使用，由于组合桥梁界面剪力键的隐蔽性、受力不均匀及非线性等特点，加之桥梁结构本身长期在环境侵蚀、材料老化和其上车辆荷载的疲劳效应等多因素的共同作用下，将不可避免地导致组合结构剪力键的损伤累积和抗力衰减，这必然影响组合桥梁结构的组合效应，从而导致其刚度和承载能力的下降，极端情况下将引发组合桥梁界面剪力键失效灾难性的突发事故。

因此，在桥梁结构安全运维的过程中，在早期阶段监测桥梁结构的局部损伤显得尤为重要而迫切。桥梁结构的状态评估通常采用动力测量方法。一般来说，基于振动的损伤检测方法可分为基于非模型(直接相关)和基于模型(模型更新)两大类。采用基于非模型的方法，直接比较了结构未损伤状态和损伤状态下的结构动态特性。实测的感兴趣振动特性包括频率[1]、模态振型[2]、模态振型曲率[3]、柔度[4]、模态应变能[5]、频响函数[6]等。另一方面，基于模型的方法要求对结构的有限元模型进行迭代修正，使结构的解析振动特性和实测振动特性尽可能接近。以上这些方法的一个主要困难是需要一个精确的初始有限元模型来进行更新。事实上，在结构的建造和使用阶段引入了许多不确定性的因素，使得获得完整结构的精确有限元模型变得不容易。

钢-混凝土组合梁是桥梁工程中常用的一种主梁形式，它合理地利用钢材和混凝土不同的受力特性，兼具有钢结构和混凝土结构的优点。在设计钢-混凝土组合梁时，为防止钢梁与混凝土翼缘板间出现过大的界面滑移，在混凝土翼缘板和钢梁之间需布置连接件，确保两者共同受力。连接件是组合桥梁结构中的关键构件，这些连接件长期在复杂的振动环境下服役，存在逐渐劣化甚至失效的风险。因此，深入系统地开展组合梁桥结构界面连接件的损伤检测研究具有工程实际应用价值以及重要的理论研究意义。

发明内容

为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种利用频域传递性对组合桥梁结构剪力连接件损伤检测的方法，用于组合桥梁剪力连接件损伤的识别。

本发明采用的技术方案是：

一种利用频域传递性对组合桥梁结构剪力连接件损伤检测的方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

S1，在钢筋混凝土板顶部位置放置传感器，用以测量钢筋混凝土板的响应；在钢梁的相应位置放置传感器，用以记录钢梁的响应；

S2，利用锤击试验获取桥梁在已知输入力和加速度作用情况下的响应；

S3，判断是否有未损伤结构测量响应数据，分情况定义损伤指数；

S4，基于获得的n个损伤指数得出损伤阈值；

S5，将损伤指数与损伤阈值对比得出损伤情况判定，当损伤指数DI小于损伤阈值时，测量位置被识别为未损坏。

进一步的，步骤S2具体包括：

S21，使用仪表化的DYTRAN 5803A大锤进行冲击测试，并反复使用加速度计来测量钢筋混凝土板和钢梁的加速度响应，加速度计的采样率设置为100Hz，每次撞击记录1024个数据点；

S22，对采集到的响应进行去噪处理，从无噪声响应中识别出结构在未损坏和损坏状态下的固有频率和确定的模态振型；

S23，使用DIAMOND工具箱从上述测量得到的加速度响应数据和锤击力中提取频率响应函数；

S24，上述获得的频率响应函数用于计算传输率，为了模拟测量噪声的影响，将具有零均值和特定标准偏差的正态分布随机噪声添加到计算的动态响应中。

进一步的，在S24步骤中，所述的利用频率响应函数用于计算传输率，传递率公式如式(1)所示：

其中，H

进一步的，在步骤S3中，分两种情况定义损伤指数：

①、对于有未损伤结构测量响应数据的损伤检测，基于未损伤状态和损伤状态之间传递向量大小的相对差公式定义损伤指数，如式(2)所示：

其中，T

②、对于无未损伤结构测量响应数据的损伤检测，定义一个参考传感器，基于从参考传感器到板传感器的传递率与从参考传感器到梁传感器的传递率差异性定义损伤指数,如式(3)所示：

其中，T

进一步的，对于有未损伤结构测量响应数据的损伤检测，利用未损伤和损伤状态下25～125Hz频率范围内板响应到梁响应的传递率矩阵计算损伤指标。

进一步的，对于无未损伤结构测量响应数据的损伤检测，使用25～125Hz频率范围内参考传感器到板传感器和到梁传感器的传递率矩阵来计算损伤指数。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明具有目标针对性强、检测结果具体、准确等优点，对运营桥梁状态进行跟踪识别，以便实现损伤评估；同时识别出可能的结构损伤及其损伤程度，在此基础上实现安全及可靠度评估。

附图说明

图1为本发明整体流程示意图。

图2为本发明传感器放置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。

参考图1和图2，本发明的一种利用频域传递性对组合桥梁结构剪力连接件损伤检测的方法，具体包含以下步骤：

S1，在钢筋混凝土板顶部位置放置传感器，用以测量钢筋混凝土板的响应；在钢梁的相应位置放置传感器，用以记录钢梁的响应；

S2，利用锤击试验获取桥梁在已知输入力和加速度作用情况下的响应；

S3，判断是否有未损伤结构测量响应数据，分情况定义损伤指数；

S4，基于获得的n个损伤指数得出损伤阈值；

S5，将损伤指数与损伤阈值对比得出损伤情况判定，当损伤指数DI小于损伤阈值时，测量位置被识别为未损坏。

在一种实施例中，步骤S2具体包括：

S21，使用仪表化的DYTRAN 5803A大锤进行冲击测试，并反复使用加速度计来测量钢筋混凝土板和钢梁的加速度响应，加速度计的采样率设置为100Hz，每次撞击记录1024个数据点；

S22，对采集到的响应进行去噪处理，从无噪声响应中识别出结构在未损坏和损坏状态下的固有频率和确定的模态振型；

S23，使用DIAMOND工具箱从上述测量得到的加速度响应数据和锤击力中提取频率响应函数；

S24，上述获得的频率响应函数用于计算传输率，为了模拟测量噪声的影响，将具有零均值和特定标准偏差的正态分布随机噪声添加到计算的动态响应中。

在一种实施例中，在S24步骤中，所述的利用频率响应函数用于计算传输率，传递率公式如式(1)所示：

其中，H

在一种实施例中，在步骤S3中，分两种情况定义损伤指数：

①、对于有未损伤结构测量响应数据的损伤检测，基于未损伤状态和损伤状态之间传递向量大小的相对差公式定义损伤指数，如式(2)所示：

其中，T

②、对于无未损伤结构测量响应数据的损伤检测，定义一个参考传感器，基于从参考传感器到板传感器的传递率与从参考传感器到梁传感器的传递率差异性定义损伤指数,如式(3)所示：

其中，T

在一种实施例中，对于有未损伤结构测量响应数据的损伤检测，利用未损伤和损伤状态下25～125Hz频率范围内板响应到梁响应的传递率矩阵计算损伤指标。

在一种实施例中，对于无未损伤结构测量响应数据的损伤检测，使用25～125Hz频率范围内参考传感器到板传感器和到梁传感器的传递率矩阵来计算损伤指数。

本发明在针对有未损伤结构测量响应的损伤检测时，包含如下步骤：

1、如图2所示，在板的SA1-SA8位置放置传感器测量钢筋混凝土板的响应，在梁的SB1-SB8位置放置传感器记录钢梁的响应。

2、使用仪表化的DYTRAN 5803A大锤进行冲击测试，并反复使用八个奇石乐加速度计来测量混凝土板和钢梁的加速度响应。采样率设置为100Hz，每次撞击记录1024个数据点。使用DIAMOND工具箱从测量的加速度响应数据和锤击力中提取频率响应函数。

3、对采集到的响应进行去噪处理，从无噪声响应中识别出结构在未损坏和损坏状态下的固有频率和确定的四种垂直模态振型。

4、利用未损伤和损伤状态下25～125Hz频率范围内的传递向量计算损伤指标。

5、阈值为损伤指数的一侧置信上限，对比损坏指数和阈值，发现损伤指数小于阈值时，测量位置被识别为未损坏。

本发明在针对缺少未损伤结构测量响应的损伤检测时，包含如下步骤：

1、如图二所示，在板的SA1-SA8位置放置传感器测量钢筋混凝土板的响应，在钢梁的SB1-SB8位置放置传感器记录钢梁的响应，在钢梁的顶部的中央钢筋混凝土板位置放置一个参考传感器S0。

2、使用了仪表化的DYTRAN 5803A大锤进行冲击测试，并反复使用八个奇石乐加速度计来测量钢筋混凝土板和钢梁的加速度响应。采样率设置为100Hz，每次撞击记录1024个数据点。使用DIAMOND工具箱从测量的加速度响应数据和锤击力中提取频率响应函数。

3、对采集到的响应进行去噪处理，从无噪声响应中识别出组合桥梁结构的固有频率和确定的四种垂直模态振型。

4、计算参考传感器响应到钢筋混凝土板响应和钢梁响应的传递率向量，使用25～125Hz频率范围内的传输率矩阵来计算损伤指数。

5、阈值为损伤指数的一侧置信上限，对比损坏指数和阈值，发现损伤指数小于阈值时，测量位置被识别为未损坏。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。