基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估

桥梁基础水文作用是引起桥梁结构功能及安全性能失效的首要原因,而桥梁冲刷又是水文作用最主要的表现形式.依托舟山大陆连岛工程金塘大桥主通航孔桥,提出一种基于时频分析与神经网络的桥梁冲刷动力评估方法.首先,利用白噪声地震波模拟环境振动激励,采用动力时程分析法模拟环境激励下的上部结构振动,并获得其加速度响应,同时在振动过程中实时模拟基础冲刷深度的连续发展,进行环境振动激励下桥梁模态参数与冲刷发展的关联性分析,研究该方法的识别敏感性.进而,利用数值动力参数分析研究上部结构既有局部损伤多种组合形式对桥梁结构模态参数的扰动程度,以确定非冲刷损伤形式对桥梁冲刷动力评估方法准确性的干扰.最后,以模态分析中的低阶模态参数作为样本输入,以冲刷深度与墩位的不同组合作为样本输出,建立BP神经网络,实现桥梁冲刷深度与墩位的同步评估.研究结果表明:利用自振频率构建的动力指纹对冲刷发展较为敏感;该方法无论对冲刷深度还是冲刷墩位均具有较高的识别准确度,且可忽略有限局部损伤对识别准确性的干扰.该方法不需要水下操作,不需要昂贵的测试设备,仅需要加速度传感器以及数据采集装置,便于融入常规桥梁检测项目中.     

基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法

提出了一种基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法.利用理论分析得到不同冲刷深度与所提出的动力指纹之间的定量关系;进而在常规桥梁检测中得到桥梁野外状态下的动力特性实测数据,通过反演分析利用预先得到的定量关系最终得到对应的桥塔冲刷深度.为研究该方法的适用性与可行性,分别提出全桥固有频率以及模态柔度位移两种动力指纹构成形式,并基于宁波招宝山大桥(斜拉桥),采用数值仿真的手段,分析两种动力指纹与冲刷深度之间的定量关系特征.分析结果表明:通过跟踪两种动力指纹变化情况,均可较好地对斜拉桥桥塔冲刷深度进行定量识别;特别采用主梁竖弯振型或主塔横弯振型构建模态柔度位移指标时可得到更为敏感的冲刷识别效果.该方法可借助常规桥梁检测项目对桥塔冲刷状态完成定性判断及定量分析,具备计算逻辑严密、监测设备经济性好、完全避免水下操作等特点,在上部结构动力特征正确识别的基础上,可实现斜拉桥桥塔冲刷深度的准确预测.     

面向桥梁冲刷动力识别的水槽物模试验研究

为定量分析与验证研究桥梁冲刷动力识别,同步动力特性与冲刷发展的实测数据并验证该方法的有效性.依托张靖皋长江大桥桥塔主墩冲刷设计,利用大型水槽水文-结构物理模型对基础冲刷发展全过程进行试验模拟,基于多组别试验“冲刷-基频”同步实测数据,研究墩桩振动频率随冲刷深度发展的演变规律,定量分析桥梁冲刷动力识别方法的敏感性与准确性.结果表明：3组冲刷试验均造成基础边界条件极大改变,且冲刷越剧烈,结构频率下降比例越大;基础自振频率与冲刷时间成近似线性关联;自振频率平方与冲刷深度成显著线性关联.动力识别方法对桥梁冲刷发展具有较高敏感性,可有效应用于区域性桥群冲刷异变快速检测,并为重点桥梁进一步水下筛查提供数据支撑与准确依据.     

冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥地震响应的影响

目的研究冲刷作用对大跨度自锚式悬索桥桥塔地震响应的影响,为此类桥梁冲刷条件下抗震设计提供参考.方法采用考虑几何非线性的全桥有限元模型,并应用m法模拟土对桩基的约束刚度,分析不同基础冲刷深度条件对基础刚度和桥梁整体动力特性,以及对高耸桥塔地震响应的影响.结果冲刷效应通过减小土对桩基的约束,使桥塔基础刚度明显减小,但桥梁竖向和纵向基频不受影响,高阶振型及其地震效应的变化控制了结构的某些地震响应;不同冲刷深度下,桥塔关键截面-塔底截面纵桥向内力会出现明显峰值,而塔顶位移及横桥向内力效应呈现不同的规律.结论对于大跨度自锚式悬索桥高耸桥塔结构,最不利地震荷载效应并不完全发生在冲刷深度最大时,抗震设计需要考虑地震下多目标效应的多级冲刷的精细化处理方法.     

考虑冲刷效应的曲线钢梁桥动力响应研究

针对受冲刷影响的曲线钢梁桥的动力响应开展研究。首先计算了不同冲刷深度下桥梁自身的动力特性,结果显示冲刷会显著降低结构的横向基频。采用随机振动谱分析方法计算桥梁波激振动响应,采用瞬态动力时程分析方法计算桥梁风致振动响应及车致振动响应,分析结果表明,冲刷深度对波浪、风、车辆引起的桥梁结构横向振动均具有显著影响。最后通过开展现场实测验证了以上分析结果。     

基于环境振动测试的桥梁柔性桥塔动力特性识别

针对桥梁柔性桥塔动力特性的识别问题,阐述了基于环境振动测试的结构动力特性识别技术与原理.结合某桥梁柔性桥塔工程实例,分析了该方法的一般步骤、技术细节和实现过程.测试、识别得到了实例桥塔的动力特性数据,该数据与桥塔结构有限元理论计算的结果基本一致.可为同类桥梁桥塔的动力特性测试提供技术借鉴和参考.     

基于插值fast Fourier transform谐波分析的桥梁状态评估方法

桥梁的环境振动信号包含了各种环境噪声成分,如何从噪声影响中提取桥梁的真实自振频率,并进行桥梁状态评估是亟待解决的问题.本文对环境激励下的大跨桥梁响应信号进行了研究,根据环境激励在低频段近于平白噪声以及线性系统在环境激励下,各输出点测量信号之间相关函数与结构的脉冲响应函数具有相同的数学表达式——均是主频正弦函数的叠加这一特点,建立了插值fast Fourier transform(FFT)频谱校正技术分析各测点相关函数的方法.该方法能在白噪声背景下精确提取桥梁振动频率、幅度和相位等模态参数,简单实用,不仅能在线识别参数,而且对桥梁单点激励和多点同时激励均适用.将校正后的主频与三维有限元计算结果相对比,能对桥梁结构整体状态和工作性能进行评估.最后,一座实桥动力试验和计算结果证明了该方法的能有效用于运营条件下桥梁状态的评估.     

基于振动响应的导管架平台极限承载能力分析

为评估到达一定服役期限的导管架平台结构安全性能,提出基于振动响应的平台时变极限承载能力分析方法。以东海某气田导管架平台为对象开展振动监测研究,采集不同海况下平台上部组块的加速度响应,通过随机减量法对平台振动响应数据进行特征函数提取,分别采用时序分析法和复指数法对预处理数据进行动力学参数识别。借助有限元分析建立不同损伤状态下平台固有频率数据库,通过与模态参数识别数据对比识别出平台结构健康状态。应用时域分析法进行平台非线性动力学分析,并结合极限承载能力评估准则建立动力极限承载能力分析方法。结果表明,基于振动监测分析结果的平台修正模型能较准确地反映在役平台结构健康状态,可实现平台的结构抗力的精确评估,得到不同服役期导管架平台结构时变抗力变化规律。     

结构构件阻尼比对大跨度悬索桥地震响应的影响

对某大跨度悬索桥进行3向地震反应谱响应分析,考虑不同构件阻尼比对悬索桥地震响应产生的不同影响.首先通过设定不同构件阻尼比的情况进行模态分析,以振型贡献系数最大值所对应的模态阻尼比作为一个方向结构的整体阻尼比;然后采用反应谱法获取该方向上结构的地震响应.通过对结构的地震响应分析发现,不同构件阻尼比对结构地震响应的影响不容忽视;《公路桥梁抗震设计细则》中对悬索桥整体阻尼比不宜大于0.02的建议会使结构地震响应偏大,从而使桥梁设计偏于安全.     

基于环境振动测试的钢筋混凝土渡槽空腹桁架拱有限元模型修正

为评估某钢筋混凝土渡槽一空腹桁架拱的现役状态,在静力检测的同时对其进行环境振动测试,采用特征系统实现算法识别模态参数,结果表明其实测动力特性与初始有限元模型分析结果之间存在明显的差异.因此,采用基于灵敏度分析的有限元模型修正技术,选择测量精度较高的实测模态频率作为修正基准,选取各构件的弹性模量和密度作为修正参数,对该桁架拱的有限元模型进行修正.修正结果表明,修正后的有限元模型能更好地反映结构的动力特性,可作为该结构状态评估的基准有限元模型.     

基于子构件曲率模态变化的桥梁损伤识别研究

目的为保障桥梁运营安全,提高健康监测水平,对桥梁进行损伤识别研究;利用曲率模态曲线变化规律,提出一种基于桥梁子构件的识别方法.方法基于桥梁子构件分解技术,以一座梁式组合桥为例,设置不同损伤工况,根据组成桥梁整体各构件的特点将桥梁分解为较简单的构件进行损伤定位与程度识别,以振动分析中曲率模态参数的研究为基础,对桥梁在不同损伤位置、程度下曲率模态曲线的变化规律进行分析.结果结合桥梁损伤前后的曲率模态曲线变化,采用提出的拟合公式方法,不仅可进行损伤定位,对损伤程度进行准确识别,还可有效地提高损伤识别的效果.分析不同单元划分、截面形式等因素对识别效果的影响.结论桥梁子构件的识别方法可对实际桥梁健康进行监测,一定程度上解决了传统的曲率模态方法不能得到准确的损伤程度这一缺陷.     

钢桥塔与塔吊联合体系抖振响应试验研究

研究了自立状态钢桥塔与塔吊组成的联合体系的抖振性能及塔吊对钢桥塔抖振响应的影响.通过钢桥塔与塔吊共同作用的联合气弹模型风洞试验与自立状态桥塔气弹模型风洞试验,识别出了两种体系的模态参数并获得了不同风速及不同风偏角下两种体系的抖振响应,对风速与风偏角的影响规律进行了总结与比较,对比研究了联合体系中塔吊与桥塔在顺桥向、横桥向的振动响应差异.结果表明,钢桥塔与塔吊的风致抖振位移响应均值可以近似表示为风速的二次函数,位移响应均方差则表现出一定的波动性,塔吊会显著减小钢桥塔抖振位移响应的均值与均方差,钢桥塔与塔吊风致抖振响应存在明显的风偏角效应,塔吊的局部振动效应使得顺桥向塔吊位移相对桥塔位移存在明显的放大效应,而横桥向存在一定的缩小效应.     

列车作用下桥梁应力响应计算方法比较

为有效分析列车引起的桥梁应力响应,对车桥耦合动力分析法、静力影响线法及移动集中力法3种列车作用下的桥梁应力响应计算方法进行了深入的比较研究.采用3种方法对2座铁路典型混凝土简支T梁和下承式钢桁梁桥进行应力响应分析,基于桥梁现场实测数据对比分析了不同方法的计算结果,研究了列车速度和桥梁横向振动对应力结果的影响.结果表明:车速对桥梁应力响应有显著的影响,共振发生时3种方法的计算结果相差较大,消振条件下三者区别减小;由列车水平方向作用力引起的桥梁或构件横向振动对应力响应的贡献不容忽视;车桥耦合动力分析法能够更为真实地反映桥梁构件的动应力历程,在高速、桥梁横向刚度较低或列车局部加载的情况下尤其具有计算精度优势.研究结果可为3种不同计算方法的工程应用提供参考.     

基于结构水下冲击响应识别结构模态参数

在冲击载荷作用下,基于水下结构的动力学方程,结合Hilbert-Huang变换(HHT)推导出冲击作用下结构响应与模态参数的关系,并识别了水下结构的频率和模态阻尼比.HHT方法适合处理冲击等非平稳响应,设计的带通滤波器能自动选取截止频率,可以准确地得到各阶模态响应.且只需要结构适当一点的冲击响应,就可得到结构的固有频率和模态阻尼比.最后,以一水下矩形钢板为例,经数值计算在典型的爆炸冲击载荷作用下结构的振动响应,通过本方法得到了结构的固有频率和模态阻尼比,再以水下圆柱壳结构为例,同样得到了结构的固有频率和模态阻尼比,验证了本方法在冲击作用下识别水下结构模态参数的可行性.     

刚架桥动力特性测试分析与研究

桥梁结构的动力特性能够很好地表现桥梁的健康状况和损伤状态,分别通过环境随机激振技术和定点跳车激振方法对一座刚架桥的动力特性进行了测试,给出了利用随机振动理论和响应传递函数识别结构的频率、振型和阻尼比的方法,并对两种测试方法进行了比较.通过ANSYS建立空间有限元模型,对桥梁结构的无载和有载动力特性进行了仿真分析.实测与理论分析表明:按本方案测试获得的试验结果较为理想,环境激励测试能获得更多阶的振型和自振频率;而跳车激振方法只能很好地激发结构的基本弯曲振动模态.通过试验研究结果验证了有限元动力分析模型的正确性,可为同类桥梁的测试和分析提供参考.     

不确定型AHP在单轨桥梁状态评估中的应用

针对传统层次分析法(AHP)的缺陷,在跨座式单轨桥梁状态评估中引入不确定型层次分析法,该方法能够更好地反映桥梁评估中的模糊性和不确定性,很好地表达桥梁专家的意见.首次将区间数对数最小二乘法应用到单轨桥梁评估指标的权重计算中,论述了该方法求解权重的步骤.以重庆某单轨桥梁的上部结构为例,建立状态评估模型,通过专家构建的区间数判断矩阵,确定了评估指标的权重并得到该桥上部结构的状态评估值.结果表明,利用不确定型AHP对单轨桥梁进行状态评估具有一定的科学性和实用性,这种方法的应用将会为跨座式单轨桥梁的养护管理提供科学依据.     

考虑下部结构支承刚度的大跨度屋盖风致响应分析

在对广州国际体育演艺中心实施刚性测压模型风洞实验的基础上,对分别采用整体模型与简化整体模型对其上部大跨度空间屋盖钢结构的风致动力响应进行对比分析与研究。同时,在分析结构风致振动响应计算方法时,分别采用传统的多阶自由振动模态和基于荷载的Ritz向量模态进行对比分析,其中基于荷载的Ritz向量求解所需的初始荷载模式通过本征正交分解(POD)技术获得。研究结果表明:简化整体模型风致响应的计算结果比整体模型的风致动力响应稍大,其主要原因是在采用相同数目的参振模态时,简化整体模型所包含的对屋盖风致响应有直接贡献的模态比整体模型的模态多;所提出的基于屋盖表面风荷载的Ritz向量法求解仅使用少数参振模态,即可获得传统模态叠加法同样精度的风致振动响应,说明该方法是有效的。     

基础隔震结构动力可靠度分析及参数优化

假定地震为平稳过滤高斯白噪声过程,基于隔震支座的等效动刚度和等效黏滞阻尼比建立了基础隔震结构的动力方程.针对动力方程中非经典阻尼的情况,采用状态空间理论和复模态叠加法对振动方程进行了解耦,推导了基础隔震体系上部结构和隔震层在随机地震动激励下的方差反应解析式.采用变形准则分别定义了上部结构和隔震层的极限状态,根据首次超越机制,并基于串联可靠度模型建立了隔震结构在给定地震动下的条件动力可靠度计算方法.通过一个基础隔震框架计算实例,说明了该方法的运用.在此基础上,分析了隔震支座等效动刚度和等效黏滞阻尼比对隔震结构随机反应和可靠度的影响,并以失效概率为优化目标,对隔震参数进行优化.该方法可以从整体上对隔震结构可靠性进行评估,为基于可靠度的隔震参数优化提供基础.     

基于轴向振动的结构损伤识别方法

在理论上推导悬臂梁轴向振动微分方程及其3种支座形式的解析解的基础上,提出了一种基于轴向振动的结构损伤识别方法.该方法以轴向振动的低阶模态振型的二阶导数为损伤指标,无需结构损伤前的完好动力指纹.该指标对结构损伤的位置和程度均很敏感,既能精确定位损伤,又能标定损伤程度,即在损伤位置将发生相反方向的突变,且突变幅度随损伤程度的增大而增大.最后对方钢管构件进行了试验,测试结果证明了该方法的可行性.     

车桥耦合动力学系统模态综合分析

由于桥梁上的车辆荷载是一个带有质量的振动系统，从而使得桥梁在该荷载作用下的动力响应问题比一般结构动力系统的响应问题更复杂。车辆和桥梁可看成一个整体耦合动力学系统的两个分支，并引入模态综合法来分析其动力响应。结果表明利用模态综合法可以将车辆与桥梁之间的边界作为系统的内部耦合条件，从而使边界条件比较明确。