基于精确模态参数的桥梁损伤识别

摘要:利用系统动力参数进行土木工程结构的损伤识别已经成为了一个非常重要的研究领域，因此需要一种利用损伤前后动力参数的变化进行损伤评估和定位的有效方法，系统的动力参数必须尽可能的精确。本文通过有限元方法对一简支梁桥进行动力分析，利用壳单元对桥面进行离散化，通过降低刚度来模拟损伤，进行损伤前后动力参数计算，可以发现损伤前后固有频率的变化。利用位移模态提取的曲率模态进行损伤定位要比位移模态更敏感。

关键词：壳单元 离散化 位移模态 曲率模态

中图分类号：U44文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）14-0058-02

Identification of Bridge Damage Based on Accurate Modal Parameters

Liu Huiting

（Tianjin Yongxin Construction Investment（Group），Tianjin 301700，China）

Abstract: Using the system dynamic parameters to identify the damage of civil engineering structure has become a very important research area, therefore we need a effective method to make damage assessment and positioning with the dynamic parameters changes before damage and the dynamic parameters must be as precise as possible. This paper makes dynamic analysis of a simple beam bridge with a finite element method, uses shell element to take discretization on the bridge deck, simulates damage by reducing the stiffness, and calculates dynamic parameters before and after damage, then we can find the changes of inherent frequency before and after damage. Using the curvature mode by displacement modal to conduct damage location is more sensitive than displacement modes.

Key words: shell element；discretization；displacement mode；curvature mode

0引言

损伤诊断有三个层次：发现损伤、损伤定位、损伤程度判断。显然，后一层次较前一层次难。我们利用的频率、振型（位移振型）从本质上说，属于结构的宏观信息。若要利用它来实现比较精确的定位，是非常困难的。一些学者提出了一些看似较好的方法，并利用数值算例，或者一个小模型试验，证明其方法非常有效。但是，一旦用于工程实际，有一个问题就无法回避，即：实际工程是具有巨大数量的自由度的。那么，他们的方法的有效性将大大降低。

1损伤探测方法

损伤存在于结构中会降低损伤位置处的抗弯刚度，抗弯刚度的下降会引起损伤位置曲率的增大。曲率的变化能够用来定位结构的损伤。通过位移模态利用中心差分进行数值计算可以得到曲率模态。u■■=u■-2u■+u■/h■（1）

这里u■为节点i处的竖向位移，h为单元的高度。结构的局部裂纹或损伤必然会导致结构局部EI（x）的降低，从而使得损伤处的曲率斜度数值增大，引起曲率模态振型数值发生突变。

2简支梁的损伤识别

利用48个8节点壳单元（shell93）仿真模拟构成简支梁有限元模型（如图1所示）。为了更容易更简单的画出沿着桥宽方向不同线的模态振型，采用了均匀分级的网格划分分析。这些位移模态值用来计算曲率模态（方程1）。因为中心差分需要规则的网格，实施了均匀的网格划分。中心差分可以延伸到非均匀的网格划分。

该简支梁的基本参数为长度12m，宽度4m，厚度0.4m。弹性模量为210GPa，泊松比为0.2，材料的密度为ρ=3000kg/m3。单元的损伤通过单元抗弯刚度的减少来模拟，如（图2）。通过ANSYS动力分析提取前简支梁的前五阶弯曲模态，如图3所示。损伤前后前五阶弯曲模态相对应的频率发生了变化，情况如表1。

损伤前后频率的变化说明损伤的存在，但不能进行准确的定位。损伤前后曲率模态的差值的绝对值能够准备定位损伤发生的位置。取简支梁中间一条线段上的点进行分析得到它在一阶和二阶模态下损伤前后的曲率模态差的绝对值，如图4所示。

很明显可以看出在损伤位置处曲率模态差的绝对值出现峰值。

高阶模态可能由于划分网格中产生的误差致使其不能进行损伤定位。

3结论及展望

3.1 结论①利用损伤后的曲率模态的突变可以很好的识别损伤的位置，曲率模态差的绝对值是很好的识别损伤的指标。②单纯利用位移模态很难进行损伤的定位，损伤前后位移模态的改变不是很明显。③高阶的时候出现不能定位损伤情况，原因可能是网格划分过于简单，产生误差，致使不能进行定位。

3.2 展望①结合实验对某一实际结构进行损伤识别和定位，对其损伤程度进行研究。②找出有限元模型分析过程中高阶模态无法进行损伤定位的原因，即相对误差产生在什么地方。

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