《基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法 熊文 董夏鑫 唐平波 张学峰 叶见曙 东南大学交通学院 亚利桑那州立大学可持续工程与建筑环境学院 交通运输部公路科学研究所 西安建筑科技大学土木工程学院 摘 要： 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
2、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.关键词： 桥塔冲刷; 斜拉桥; 动力指纹; 自振频率; 振型; 柔度矩阵; 作者简介：熊文 (1982) , 男, 安徽金寨人, 东南大学副教授, 博士, E-mail:收稿日期：
3、2016-11-08基金：国家自然科学基金资助项目 (51208097) Identification Method for Pylon Scour Depth of Cable-stayed Bridges by Tracing Dynamic IndexXIONG Wen DONG Xiaxin TANG Pingbo ZHANG Xuefeng YE Jianshu School of Transportation, Southeast University; School of Sustainable Engineering and the Built Environment, Ari
4、zona State University; Research Institute of Highway, Ministry of Transport; Abstract： This paper proposed an identifying method of scour condition of cable-stayed bridge pylon by tracing the dynamic index.Firstly the quantitative relationship between the identification index and scour depth is theo
5、retically simulated by a series of parametric study.Once the identification index is obtained based on the monitored dynamic performances during the bridge routine measurement, the scour depth of pylons at the moment of monitoring can be directly deduced by the pre-obtained quantitative relationship
6、.In order to investigate the feasibility of this method, two identification indexes such as the natural frequency of bridge and deformation of modal flexibility were proposed.As a case study, the relationships between these two identification indexes and scour depth of pylon were carefully analyzed
7、based on Finite Element (FE) model of Ningbo Zhaobaoshan bridge (a cable-stayed bridge) .The results indicate that the pylon scour depth of cable-stayed bridges can be quantitatively identified by tracing the identification indexes.Especially, the indexes including the deformation of modal flexibili
8、ty built by the vibration modes of vertical bending of girder and transverse bending of pylon show much more sensitive and better identification effects than those of other indexes.It can be concluded that the proposed identifying method for pylon scour depth by tracing the dynamic index has the adv
9、antages of accurate calculation logic, convenience, and good economical efficiency without underwater operation.The scour depth can be correctly predicted as long as the dynamic performances of bridges are accurately measured and traced.Keyword： scour of pylons; cable-stayed bridges; dynamic index;
10、natural frequency of vibration; mode of vibration; flexibility matrix; Received： 2016-11-08洪水和冲刷是导致实际桥梁坍塌事故的最普遍原因.Wardhana 等曾在报告中指出, 大约 48%的桥梁坍塌事故源于流体荷载, 而流体荷载主要包括冲刷与洪水作用1.其中冲刷作用是指在水流长期冲蚀淘刷作用下, 基础周围土颗粒逐渐被水流带走, 土体被掏空的过程.我国自 20 世纪 90 年代以来兴建了众多跨江通道, 使得我国大跨径桥梁设计理论和施工配套技术得到了极大发展, 其中无论桥塔还是桥墩, 多采用桩基础结构.例如南
11、京长江二桥、铜陵长江大桥以及润扬北汊大桥 (均为双塔斜拉桥) 的最大局部冲刷深度分别达到 20m, 24m 以及18m2-3.一般来说, 大跨径斜拉桥所处区域相对于中小跨径桥梁的基础冲刷水文环境更为复杂, 水深流急、河床松散, 导致桥塔、桥墩的局部冲刷具有深度大、范围广、不均匀的特点.基础局部冲刷除了会降低桥塔、桥墩以及上部结构的横向稳定性外, 还会明显减小单桩承载能力;另外, 基础局部冲刷深度越大, 船舶撞击所产生的桩基应力就越大4.因此, 准确便利地识别冲刷深度对桥梁结构保持健康运行状态和及时应对潜在危害有着极其重要的作用.当今冲刷监测手段主要基于雷达技术、声纳技术或者潜水员直接观察等方式
12、对桥梁基础冲刷深度进行直接量测5-7, 但是其中的发射、接收装置以及人力均非常昂贵, 传感器容易受到水文条件的干扰而引起较大测量误差, 且安装时受到实际环境与气候的限制, 无法在桥梁检测中全面、长期地得到应用8-9.大跨径桥梁基础冲刷实质上是对结构有效约束的削弱, 可直接改变结构刚度以及相对应的动力特性, 显然亦可作为一种结构损伤的形式进行识别.对此虽已有学者开展相关研究, 但仍多以定性分析为主10-12.本文提出一种基于动力指纹的斜拉桥桥塔冲刷深度识别方法.该方法首先利用理论分析得到不同冲刷深度与所提出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
13、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
14、, 可实现斜拉桥桥塔冲刷深度的准确预测.1 基本理论方程无阻尼自由振动的运动特征方程为13-14:式中:K 为刚度矩阵; 为自振频率;M 为质量矩阵; 为自振频率所对应的振型向量.结构发生损伤后 (桥塔冲刷) , 则有:式中:K d为损伤后刚度矩阵; d为损伤后自振频率;M d为损伤后质量矩阵; d为损伤后自振频率所对应的振型向量.斜拉桥桥塔冲刷通常不会影响结构的质量特性, 因此可认为桥塔冲刷前后的质量矩阵 M 保持不变, 进而分别用 K, , 表示桥塔冲刷后刚度矩阵、自振频率 (特征值平方) 以及振型 (特征) 向量的变化, 则有:从而式 (1) 可写为:显然, 通过对刚度、自振频率以及阵型
15、变化量的识别, 理论上可定性或定量反演出引起这些变化的原因, 本文中即为桥塔冲刷深度.2 动力指纹构建形式2.1 固有频率变化指标固有频率具有便于测量、识别精度较高、抗噪能力强的特点.但是固有频率是结构的宏观动力特性, 不同位置的结构损伤可能导致相同的频率改变.另外, 桥梁结构的高阶固有频率难以实际量测.所以固有频率变化指标一般仅用于判断是否存在损伤, 或者依据频率测量值与灵敏度分析预估损伤位置与程度.具体来说, 将 同时左乘在损伤后基本动力方程 (6) 的两边, 并展开且忽略二阶小量, 则式 (6) 可写为:假设损伤单元总数为 J 个, 即 J 个单元存在 K n, 将式 (8) 代入式 (
16、7) , 得到:对于类似桥塔冲刷这种单损伤且位置明确的情况, 假设损伤单元为第 j 个单元, 引入单元损伤程度指标 j, 利用式 (9) , 则有:另外考虑到未损伤结构的基本动力方程 (式 (1) ) , 可得:从式 (11) 可看出, 基于第 i 阶模态的固有频率变化指标 FCRi与损伤位置 (损伤单元 j) 与相应损伤程度 j相关.对于桥塔冲刷这种结构损伤位置已知的情况, 理论上可定量建立固有频率变化指标与损伤程度 (即冲刷深度) 之间的对应关系.2.2 模态柔度位移指标基于模态的柔度位移指标主要利用动态测量结构柔度矩阵的变化来反映结构局部损伤.柔度矩阵即刚度矩阵的逆矩阵, 用于反映施加静态力与结构位移之间的关系.柔度矩阵可利用相对质量矩阵进行标准化处理后的振型矩阵得到, 推导过程如下.令由无阻尼自由振动的运动特征方程 (式 (1) ) 可得:在式 (13) 等号两边左乘 , 则有:对振型向量进行质量归一化处理, 即 M=I
