橋梁結構承載能力快速檢測

橋梁結構承載能力快速檢測第1頁/共47頁重慶交通科研設計院橋梁與結構工程分院簡介國家山區(qū)公路工程技術研究中心橋梁工程結構動力學國家重點實驗室橋梁結構抗震技術交通行業(yè)重點實驗室第2頁/共47頁主要設備

實驗室建成了世界領先水平的軌道移動式大型地震模擬試驗臺陣系統(tǒng)。

是國內唯一可開展長大橋梁三軸向多點激震等空間效應研究的全橋模型實驗系統(tǒng)。

承擔了港珠澳跨海大橋、廈漳跨海大橋等10余座橋梁的抗震試驗，并承擔了路基、邊坡、核電站、特高壓輸電設備、民用建筑、輸氣管線、高鐵等工程的地震臺試驗。

第3頁/共47頁自主研制的大型工程索纜靜載和疲勞試驗系統(tǒng)，疲勞試驗能力為15000kN（靜載+動載），靜載試驗能力為30000kN，具有拉彎疲勞試驗功能，其加載噸位和試驗功能均處于國際領先水平。完成了國內30余座大跨度橋梁拉索疲勞試驗項目。主要設備第4頁/共47頁主要設備大型橋梁支座試驗系統(tǒng)

最大試驗能力達到30000kN，具有載荷控制和位移控制兩種方式?？蛇M行橋梁支座基本力學性能試驗研究及抗震性能試驗研究。第5頁/共47頁主要設備

主要為橋梁檢測人員在檢測過程中提供作業(yè)平臺，裝備有橋梁檢測儀器,用于流動檢測和(或)維修作業(yè)的專用汽車。它可以隨時移動位置，能安全、快速、高效地讓檢測人員進入作業(yè)位置進行流動檢測或維修作業(yè)。工作時不影響交通而且可以在不收回臂架的情況下慢速行駛。橋梁檢測車第6頁/共47頁主要設備多通道結構試驗機5臺3000kN作動器

共有22個結構大噸位試驗作動器。與反力墻、反力地板、反力架配套使用。用于大型結構的靜力、動力和疲勞試驗研究。第7頁/共47頁主要設備

實驗室購置了3臺人工氣候模擬設備，可對橋梁材料或構件進行溫度、鹽霧、噴淋、日照、CO2、凍融、碳化等試驗。人工氣候老化箱第8頁/共47頁

研究背景理論基礎研究內容結論第9頁/共47頁

我國公路建設規(guī)模龐大，目前公路總里程已達到387萬公里，公路橋梁已達到70萬座。到2020年，我國將新建110萬公里的公路網，4.5萬多公里的高速公路和20余萬座橋梁，已是僅次于美國的世界第二橋梁大國。我國橋梁建設迅猛發(fā)展的同時，在橋梁養(yǎng)護、維修、監(jiān)測和管理等方面在一定程度上出現(xiàn)了相對滯后狀況，重大垮塌事故也時有發(fā)生。

綦江彩虹橋垮塌鐵力市呼蘭河大橋坍塌

研究背景－在役橋梁檢測評定第10頁/共47頁

研究背景－在役橋梁檢測評定

橋梁快速檢測評定方面：橋梁工程師一直面臨著如何在不中斷交通或少中斷交通情況下，對交通繁忙的橋梁進行檢測評定，如何對量大、面廣的中小跨徑橋梁進行大面積快速評定的難題，這方面的研究還處于起步階段，還未有實質性的進展。靜、動載試驗方面：橋梁結構評定主要通過檢查、檢算、檢測，靜力試驗在橋梁結構承載能力的檢測評定中已得到非常廣泛的應用，被認為是最可靠的方法之一，但存在測試時間長、費力和成本較高等缺點。橋梁結構動力試驗方法與評定方法主要是通過動力測試得到橋梁的頻率、振型、阻尼、沖擊系數等動力參數，以評定橋梁的動力性能，但不能直接評價橋梁的承載能力，對于橋梁的承載能力評定只能起到輔助和補充的作用。

索支撐體系橋梁索力測試方面：我國建有大量的斜拉橋、懸索橋、吊桿拱橋等索支撐體系橋梁，在役橋梁索力檢測是非常重要的檢測內容，目前短索索力的動力法測試還有待進一步研究。第11頁/共47頁

模型可分為解析模型和有限元模型。結構建模的手段主要有兩種：理論建模和實驗建模。其中前者因對結構物理特性、幾何特性、連接狀態(tài)和約束條件等的簡化以及這些簡化過程中包含了諸多不確定因素而使得分析結果與實際測試結果出現(xiàn)偏差，在不少情況下這種偏差會超出工程許可范圍。

精確的解析模型或有限元模型作為橋梁損傷識別、健康監(jiān)測、結構控制、結構評估和診斷等方面的強有力的工具而受到廣泛的重視。

理論基礎－基本思路第12頁/共47頁

理論基礎－基本思路模型修正過程第13頁/共47頁

理論基礎－基本思路用于模型修正的目標參數選擇

1、靜力參數

2、動力參數第14頁/共47頁一、實測準靜態(tài)廣義影響線在橋梁檢測評定中的應用研究第15頁/共47頁基本原理：主要是采用測試值與有限元計算值之間的影響線殘差和頻率殘差及其相關函數作為修正目標函數，進行有限元模型修正。

理論基礎－基本思路本研究選擇動、靜多目標參數用于模型修正第16頁/共47頁

理論基礎－多目標優(yōu)化處理加權平均處理多目標優(yōu)化變?yōu)閱文繕思s束優(yōu)化問題第17頁/共47頁

理論基礎－基本思路待修正結構參數選擇

1、整體參數（幾何或材料）

2、局部參數（幾何或材料，需識別位置）

3、邊界條件

第18頁/共47頁

研究內容－數值算例I2345678910119112913914915DAMDAMDAML=6.0mh=0.2mb=0.25m數值模型損傷單元幾何參數假設E1，E2和E3分別減少了20%，50%和30%第19頁/共47頁

研究內容－僅用影響線殘差修正三個單元彈性模量的損傷值和修正值彈性模量E1E2E3實際值（10e8Pa）256.00160.00224.00修正值（10e8Pa）255.39161.41223.59誤差(％)-0.240.88-0.18第20頁/共47頁

研究內容－動、靜測試誤差對多目標修正的影響實際值與誤差值（假設有10%測試誤差）

實際值誤差值誤差（%）位移影響線

-8.38e-3-9.22e-310.00基頻8.279.0910.00修正方法E1(10e8Pa)誤差（%）E2(10e8Pa)誤差（%）E3(10e8Pa)誤差（%）實際值256.00—160.00—224.00—影響線法211.6617.32191.7919.87195.57-12.69基頻法179.39-29.92225.4040.88295.0731.7多目標法（權系數1：1）211.81-17.26175.219.51235.014.92三種方法修正結果及誤差

第21頁/共47頁數值模型幾何參數

研究內容－數值算例II第22頁/共47頁邊界條件的損傷值和修正值T1T2T3實際值1000.001000.001000.00初始修正值500.00500.00500.00修正值1002.751000.241007.98誤差0.28％0.02％0.79％

研究內容－數值算例II第23頁/共47頁

研究內容－準靜態(tài)廣義影響線的定義準靜態(tài)廣義影響線的的定義：通過慢速跑車，測得的結構某一量值隨車輛位置變化的函數曲線。1）加載載荷不是單位荷載，而是具有四個或多個集中力的汽車荷載，作用點連續(xù)移動，方向和大小保持不變；2）廣義位移如位移、應變和曲率等和廣義內力如軸力、彎矩和扭矩等；3）動力效應不很明顯，幾乎趨近于靜態(tài)響應；4）結構響應是對應于連續(xù)慢速的動態(tài)加載過程，相當于多工況加載問題，可以掌握更多的結構信息。

影響線的定義：在豎向單位移動荷載作用下，結構某一量值隨豎向單位荷載（P=1）位置移動而變化的函數曲線。第24頁/共47頁

研究內容－準靜態(tài)廣義影響線的定義1、加載車輛一般為雙軸或者三軸重車，縱向兩列輪胎。2、對橋梁而言，一般通過左、中、右三次跑車進行測試。第25頁/共47頁

研究內容－影響線快速測試系統(tǒng)基本原理：

該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由脈沖信號激勵裝置、脈沖信號發(fā)射裝置和脈沖信號接收裝置組成；軟件系統(tǒng)記錄脈沖信號和控制截面待測量Z，然后利用脈沖信號計算其對應的車輛位移，并繪制影響線。影響線快速測試系統(tǒng)脈沖激勵裝置平面圖實測應變影響線第26頁/共47頁面向測試對象的橋梁結構有限元分析與模型修正軟件系統(tǒng)界面

研究內容－模型修正軟件第27頁/共47頁基本原理：采用撓度（應變）等變形影響線及其對位置的一、二階導數識別結構的損傷位置?；谟绊懢€的損傷敏感性指標體系

一階導數影響線二階導數損傷

研究內容－損傷敏感性指標損傷程度第28頁/共47頁基于影響線的損傷敏感性指標體系

–多損傷識別

研究內容－損傷敏感性指標完好模型和損傷模型損傷位置損傷位置第29頁/共47頁基于影響線的損傷敏感性指標體系

一階導數影響線二階導數忠縣烏楊大橋全景

研究內容－損傷敏感性指標橫隔梁

第30頁/共47頁基于準靜態(tài)廣義影響線的橋梁承載能力快速評定方法直接對比評定法

:直接對比測試影響線和計算影響線來評定橋梁結構的承載能力。模型修正評定法

:用實測的準靜態(tài)廣義影響線數據來修正有限元模型，用修正后的有限元模型來預測結構的響應情況并對橋梁結構進行評定。研究意義：上述評定法可以為橋梁結構檢測評定提供更多的信息，豐富和完善常規(guī)橋梁結構評定方法，為不中斷交通或少中斷交通以及超重車過橋評定提供了快速評定的手段。

改進部分

研究內容－應用研究直接檢算評定法

:直接利用測試影響線進行荷載組合來評定橋梁結構的承載能力。第31頁/共47頁

研究內容－應用研究第32頁/共47頁忠縣烏楊大橋全景

邊界條件約束狀況修正影響線殘差簡支梁（扭轉自由度完全放松）36.48固定端（所有自由度度約束）5.51彈性支撐（扭轉自由度不完全放約束）1.89

研究內容－應用研究第33頁/共47頁忠縣烏楊大橋全景

梁號2車正載4車正載實測(ue)預測值(ue)誤差%實測值(ue)預測值(ue)誤差%B1#-30-29.32.33-58-54.36.38B2#-28-27.13.21-55-54.21.45B3#-26-28.4-9.23-57-56.60.70B4#-31-28.19.35-61-56.86.89B5#-27-27.2-0.74-55-57.4-4.36修正模型預測與靜載試驗對比分析梁號加載位1加載位2加載位3加載位4組合值實測值誤差%B1#-3.74-23.57-3.06-23.21-53.57-587.63B2#-8.46-19.11-7.48-18.86-53.91-551.98B3#-13.23-13.57-11.57-14.10-52.47-577.94B4#-18.66-11.29-16.62-11.35-57.93-615.04B5#-21.31-5.03-19.85-4.80-50.99-557.294車加載值與準靜態(tài)廣義影響線組合值對比(單位:με)

研究內容－應用研究第34頁/共47頁梁號3車正載6車正載實測(ue)預測值(ue)誤差(%)實測值(ue)預測值(ue)誤差(%)1#3026.74-10.865756.16-1.472#3734.11-7.827471.68-3.133#4039.46-1.368383.230.284#4443.09-2.079590.76-4.475#4245.217.649094.494.996#4343.180.428890.743.117#4039.70-0.767883.186.658#3934.47-11.607371.61-1.919#2927.15-6.375256.087.85修正模型預測與靜載試驗對比分析

長壽長江大橋南引橋邊跨

騎中線跑車理論計算值（D-QSIL）與測試值（T-QSIL）對比分析

研究內容－應用研究第35頁/共47頁忠縣龍洞大橋全景

梁號加載位1加載位2加載位3加載位4組合值實測值誤差%1#-2.87-28.97-2.94-29.69-64.48-623.992#-8.56-27.26-6.11-27.95-69.88-76-8.053#-15.36-17.84-15.74-18.29-67.23-69-2.284#-22.78-13.43-23.35-13.77-73.34-696.605#-27.70-4.26-28.39-4.37-64.72-625.064車正載實測值與影響線組合值對比

研究內容－應用研究第36頁/共47頁二、索支撐體系橋梁索力測試技術研究第37頁/共47頁

專題4-代表性成果2高精度的長短索索力識別方法基本原理：采用遺傳等識別算法修正拉索有限元模型中:索力T、彎曲剛度EI、線密度ρ

A、邊界條件Ky,Kθ等，多參數識別問題。

自振頻率與拉索參數為：fj

=fj

(T,ρ

A,EI,Ky,Kθ

)目標函數遺傳等識別算法索力識別流程第38頁/共47頁長短索索力識別系統(tǒng)界面選擇各階頻率輸入識別參數第39頁/共47頁

研究內容－工程應用研究拉索設計索力（kN）計算索力（kN）偏差上游SSC28508652052.34%上游SSC27503351612.55%上游SSC26493451484.34%下游SSC2850865069-0.33%下游SSC2750334958-1.48%下游SSC26493450712.78%上游NSC28490751685.32%上游NSC2748194744-1.55%上游NSC2648164793-0.49%下游NSC2849074796-2.26%下游NSC2748194744-1.55%下游NSC2648164734-1.70%重慶夔門大橋第40頁/共47頁固結索索力識別的公式化公式化背景固支索力解析公式鉸支索力解析公式經典弦張力解析公式？數值識別方法：效率低、數值不穩(wěn)定、結果可靠性差公式化識別方法：效率高、可操作性強、利于大規(guī)模采用有限元法、優(yōu)化識別算法、特征求解第41頁/共47頁固結索索力識別的公式化索振動方程頻率方程方程1、含有雙曲線和三角函數的超越方程2、數值越界3、大數與小數并存……？第42頁/共47頁雙曲線：當β=λ2l=10.0時，1.0/chβ=0.000091≈0.0，chβ=11013.23，shβ/chβ≈1.0。等價為