桥梁振动测试技术的及其在检测中.doc

桥梁振动测试技术及其在检测中的应用报 告 简 本“桥梁振动测试技术及其在检测中的应用”是交通部西部建设科技项目。该项目由交通部组织，项目承担单位为招商局重庆交通科研设计院有限公司，大连理工大学，重庆市公路局等科研院所和高等院校。该项目于2004年启动，于2009年4月全面完成。本项目主要是针对桥梁振动测试和快速评定等问题和当前桥梁管养的需求提出来的，对桥梁结构振动测试技术及其在桥梁检测中的应用开展较系统的研究，重点研究如何测得准的问题，以及测试结果如何应用的问题，即结合其它检测方法，对桥梁结构的技术状况和承载能力的综合评定进行补充和完善。通过本项目的开展和依托工程的具体实施，形成基于振动测试的桥梁检测成套技术，为桥梁的维护、维修、改造和加固提供必要的技术支持，为相关检测规范的修订提供相应的技术支撑，弥补国内外在这方面研究的不足，具有重大的工程应用价值和研究意义。一、研究目标和主要研究内容针对中小跨度梁桥，适当兼顾中小跨度拱桥，进行桥梁振动测试调研、理论分析、试验研究和依托工程实施。目以桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究作为本项目研究目的，重点解决测什么、如何测得准、测试结果怎么应用的问题以及如何准确、快速地对桥梁技术状况和承载力做出快速而准确的评定作为本项目的研究核心。主要分为五个专题展开研究工作，分别是： 1.不中断或少中断交通状态下桥梁振动测试和模态参数识别技术研究；2.面向测试的桥梁结构有限元建模和分析技术研究；3.桥梁结构的损伤敏感性指标体系研究；4.基于振动测试结果的桥梁状态评估技术研究；5.桥梁振动测试技术指南编写。各个专题均圆满完成了研究任务，并形成了相应的专题研究报告。在五个研究报告的基础上形成了项目技术总报告。专题研究一主要解决在现场测试中，主要测试什么，如何准确地测试各个物理量等问题。旨在确定一套能够在现场桥梁测试中应用效果较好的传感器优化布设技术，并针对各类型梁桥提出一般的传感器方案；针对不中断或少中断交通状态下的桥梁环境振动激励方法与桥梁振动系统识别方法；桥梁振动测试与分析处理的研制与开发，使以上研究成果更具有可操作性，易于推广和应用。可以按照桥梁振动测试技术指南在指南基本要求的范围内快速、简便的进行桥梁振动测试，为桥梁大面积的快速普查奠定必要的技术基础。专题研究二主要解决“如何有效地利用测试结果”。主要针对已建桥梁有限元模型修正的关键问题，结合当前模型修正研究领域最新成果开展深入研究，建立方便于实际桥梁工程结构模型修正方法，为实现桥梁结构快速检测、评估提供理论和技术支持。专题研究三主要解决“如何有效地利用测试结果”。主要是开展一些探索性的研究工作，尝试用准静态影响线对桥梁结构进行损伤识别；总结国内外桥梁结构损伤敏感性指标方面的研究成果和应用情况；探讨对桥梁结构损伤较为敏感的指标体系。专题研究四主要解决“如何准确、快速地对桥梁技术状况和承载能力评定 ”。本专题旨在对基于振动检测结果的桥梁技术状况技术进行探索性研究，重点放在解决快速的初步评估方法的研究上，为桥梁结构大面积的快速普查奠定必要的技术基础，为桥梁振动测试技术指南的编写提供依据。专题五主要是进一步丰富和完善现有桥梁检测评定体系，编制桥梁振动测试指南。图1 各专题之间的研究关系各专题之间的研究关系如图1所示。专题一和专题二是本项目的研究基础，为其它专题提供所需要的基本数据和手段，以及如何利用这些数据进行精细有限元模型建模和分析；专题三是利用前两个专题的测试数据和有限元分析技术来研究桥梁结构的损伤敏感性指标，为桥梁结构的评定提供依据；专题四是利用前三个专题和专题五的研究成果，建立桥梁承载力快速评定方法；专题五是在总结本项目的研究成果和当前振动测试既有研究成果的基础之上，编制桥梁结构振动测试技术指南，并为桥梁技术状况和承载力快速评定的建立提供参考。二、主要研究成果经过本项目的研究攻关，完成了合同规定的全部研究内容，还超额完成了某些研究课题，使研究成果形成理论技术体系。取得的主要成果体现如下：通过本项目的研究实施，取得了以下主要研究成果：（1）研究报告1) 桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究技术总报告2) 专题研究报告之一：不中断或少中断交通状态下桥梁振动测试和模态参数识别技术研究报告3) 专题研究报告之二：面向测试的桥梁结构有限元建模和分析技术研究报告4) 专题研究报告之三：桥梁结构的损伤敏感性指标体系研究报告5) 专题研究报告之四：基于振动测试结果的桥梁状态评估技术研究报告6) 专题研究报告之五：桥梁振动测试与分析处理系统研制报告报告7) 专题研究报告之六：桥梁振动测试技术指南8) 桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究工作报告（2）专利：2项。（3）软硬件系统开发：2套。（4）人才培养及论文发表结合本项目研究，共培养研究生12名，其中博士研究生3名，硕士研究生9名，发表论文16篇。三、主要创新成果本项目在桥梁振动测试技术理论、应用技术和软硬件分析系统开发等方面取得了一系列的创新性工作。创新点一：提出了基于影响线的有限元模型修正技术本项目首次提出了基于影响线的有限元模型修正方法，并在此基础之上，还提出基于影响线和振动频率的动静多目标有限元模型修正方法，并在实桥中得到成功运用，为桥梁评定或快速评定提供了有力的工具。创新点二：建立了基于影响线的桥梁结构损伤敏感性指标体系本项目首次提出了基于影响线及其一、二阶位置灵敏度的桥梁结构损伤识别方法，并发现了挠度（应变）影响线的二阶位置导数和影响线的相关度向量对损伤较为敏感，并在室内模型和实桥中得到成功运用；揭示了准静态挠度（应变）影响线对加载位置的一、二阶灵敏度与某点处变形率、变形加速度之间的变化关系；特别是当加载速度为常数时，准静态挠度（应变）影响线对加载位置的二阶灵敏与该点处的变形加速率成线性变化关系，即；为桥梁损伤敏感性研究提供了可靠的敏感性指标。创新点三：建立了基于实测准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定方法本项目首次提出了一套完整的基于实测准静态广义影响线的桥梁快速检测与评定方法，并在实桥中取得了良好的效果。其中基于实测准静态广义影响线的评定方法主要包括：(1) 基于实测准静态广义影响线的直接对比评定法；(2) 基于实测准静态广义影响线的模型修正评定法。基于准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定框图见图2所示。 第一种评定方法是基于准静态广义影响线的直接检算评定法，该方法主要是根据结构的载荷等级和布载车道，进行跑车试验，获取相应的广义影响线，并用实测的影响线代替计算影响线对桥梁结构进行直接检算和桥梁评定。但需注意桥梁结构较为复杂时，实测准静态广义影响线难以准确计算恒载作用下的响应，该方法不能采用。一般情况下，对于中小跨度直梁桥，该方法可以采用。图2 基于准静态广义影响线的桥梁结构承载力快速评估流程图第二种即直接对比评定法直接，该方法又分别为两类：直接比较评定法和直接组合评定。直接比较评定方法是在现状检查、简单检测以及检算结果的基础之上，通过跑车试验获得实测的桥梁结构准静态广义影响线，同时采用有限元方法模拟跑车试验过程，得到计算的准静态广义影响线并和实测的准静态广义影响线进行对比分析，根据对比情况直接进行评定。而直接组合评定方法是用实测的准静态广义影响线对桥梁结构进行检算，根据确定的荷载等级和布载车道，进行跑车试验，获取相应的广义影响线，然后将其按照静载试验方案进行组合，用组合值与荷载试验的理论控制值进行直接对比分析来快速评定桥梁的承载能。第三种评定方法是用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型，然后用修正后的有限元模型来预测结构的响应情况并对桥梁结构进行评价，即模型修正评定法；若通过上述评定方法评定桥梁的技术状况后还存在一定的疑问，没有十足的把握，则需要采取进一步的特殊检查或静力荷载试验等检测方法。该体系丰富和完善了现有的桥梁检测评定体系，也为不中断或少中断交通的桥梁结构快速评定的研究提供一条可行的思路和方法。创新点四：随机子空间法中块Hankel矩阵QR分解的快速算法本项目提出了一种专门针对该类型的块Hankel矩阵的QR分解算法，仅计算R矩阵，比通用的QR分解算法相比，计算精度非常接近，在计算效率上有显著提高。实用技术一：传感器优化布设的一种统一方法对桥梁振动测试测点优化布设开展了较系统研究，提出了传感器优化布设的一种统一方法，该算法可以实现一次传感器布置，同时测试前几阶模态的目的，并给出了常见梁桥的前几阶模态参数测试的传感器参考布设方案。实用技术二：高精度的短索索力识别方法本项目提出了高精度的短拉索索力识别方法，并开发了同时适合长索和短索的索力识别分析软件，在成桥试验或施工监控中的索力识别取得了很好的效果。实用技术三：万向无级调力调频起振机自主研制了桥梁振动测试万向无级调力调频起振机，结构紧凑，传动可靠，调节简单，具有任意改变激振力大小及方向和激振频率十分容易调节等特点，获国家专利1项。图3 万向无级调力调频起振机实用技术四：影响线快速测试系统自主研制了一套影响线快速测试系统，只需荷载车辆沿着车道缓慢通过全桥即可完成影响线的测试和绘制，整个过程自动化程度高，极大缩短了影响线测试时间，大大提高了影响线测试的效率和精度。其中桥梁振动测试用的车辆位置定位仪，获国家专利1项。图4 影响线快速测试系统实用技术五：桥梁振动测试与分析系统自主研制了桥梁振动测试与分析系统，该系统结合桥梁振动测试的具体要求，是一套经济实用的、具有自主知识产权的桥梁振动测试分析系统，主要包括振动信号同步采集、信号处理和结构模态分析等功能，信号分析处理的精度和效率和国外最先进的分析系统相当。图5 桥梁振动测试与分析处理系统实用技术六：面向测试的桥梁结构有限元分析与模型修正软件自主研制了具有自主版权、操作性强、满足规范和指南要求的面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统，除了具有常规有限元软件的功能，该系统还具有如下特点：(1) 可以实现参数化建模，程序系统模板中的构件定义构成了一个以控制参数为对象的层次性结构，参数数值可以被用户修改, 而其几何形状也做出相应的调整，最终通过参数化建模简化桥梁结构建模过程；(2) 可以充分利用实测数据对有限元模型进行修正；(3) 可以实现和当前的桥梁评定等相关规范或指南相结合。图6 面向测试的桥梁结构有限元分析与模型修正软件实用技术七：编写了首部桥梁振动测试技术指南编写了首部桥梁振动测试技术指南，该指南可操作性强，系统地总结了桥梁振动测试技术的研究成果，为桥梁结构提供了统一的动力检测与评定方法，尤其是为不中断或少中断交通的桥梁结构快速评定提供具体的方法，该指南具有系统完善、技术上可行、操作方便等特点。三、经济社会效益及推广应用前景本项目研究成果创新点多、实用性强，形成了包括振动测试、计算分析、快速评定等内容的成套的、先进的、实用的桥梁振动测试技术和评估技术，提高了桥梁振动测试和评定的技术水平，丰富和完善了现有桥梁检测和评估技术体系，上述研究成果填补了国内外在桥梁结构技术状况普查、承载能力快速评价领域多项空白，总体上达到了国际领先水平。为桥梁常规检查、桥梁结构快速普查等提供了有力的工具和指南，也为不中断交通或少中断交通提供新的途径和思路，这些技术成果为今后进一步开展这方面的科研工作打下良好的基础，有力地促进了科技进步。“桥梁振动测试技术及其在检测中的应用”项目的相关科研成果具有良好的推广应用前景。其中基于准静态影响线的桥梁承载力快速评定方法在公路、铁路和城市中小跨度桥梁的检测评定中可以广泛推广应用；桥梁索力（含短索索力）识别技术在桥梁承重索缆检测中也可广泛推广应用；研制的起振机在桥梁、建筑、水坝等领域都可推广应用；结构分析与模型修正软件系统和桥梁振动测试与分析软硬件系统也达到了较成熟的程度，在此基础上再做少量的完善工作可达到推向市场的要求，在桥梁工程领域及众多其他领域具有非常广泛的推广应用前景。应用本项目研究成果，可以大幅度提高西部地区乃至全国公路桥梁检测水平和评估效率，也为量大面广的中小跨度桥梁技术状况普查和承载力快速初步评定提供了新的高效率技术手段，对保障桥梁结构的安全性，避免和减少桥梁结构的安全事故，具有重要意义。同时也为桥梁养护和维修提供技术依据，对减少桥梁养护和维修费用，具有良好的经济效益。此外，从保障国民经济稳定发展和人民生命财产安全考虑，也具有良好的社会效益，本项目成果还可推广应用到铁路桥梁、城市桥梁的振动测试和评估中，因此也将产生良好的经济效益和社会效益。本项目研究的振动测试与评定方法与常规的定期检测相比，检测和评定结果更加准确和可靠，并且能够深入地反应桥梁的实际响应状况，若仅以按每年减少2000座桥梁的静载试验计算，静载试验费用平均成本按每座桥5万元计算，则每年可节约检测成本近亿元。此外，本项目所开发的桥梁结构计算分析软件和振动测试分析软件也具备良好的推广应用前景，经进一步完善后可在国内推广应用，以每套软件3万元计算，计算分析软件和振动测试与分析软件各推广100套计算，共计可创造经济效益近600万元。四、项目总体评价本研究项目具有难度大、难点多、研究领域广、工作量大等特点，许多项目的研究内容在国内外都属于全新的领域，需要进行大量的探索性工作，才能达到预期的效果，但项目组经过5年的深入研究，不仅完成了项目任务书规定的研究内容，而且部分内容还超额完成了合同所规定的任务，取得了多项创新性研究成果，达到了项目任务书规定的主要技术经济指标要求和考核目标要求，在桥梁结构快速评定等领域取得了实质性的进展。培养了一批高素质交通科技人才，取得了两项国家专利，自主研制了万向无级调力调频起振机、影响线快速测试系统、面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统和桥梁振动测试与分析软硬件系统等产品，为后续相关科研工作打下了良好的基础。项目执行情况及管理工作总体情况良好，为今后组织实施类似的多单位合作、产学研结合科研项目积累了有益的经验。本项目首次提出了基于影响线的有限元模型修正方法和基于影响线和振动频率的多目标有限元模型修正方法；首次提出了基于影响线的损伤识别理论体系；原创性的研究了基于准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定方法；提出了随机子空间法中块Hankel矩阵QR分解的快速算法；自主研制了面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统、桥梁振动测试与分析系统；自主研制了影响线快速测试系统和万向无级调力调频起振机；首次编制了桥梁振动测试技术指南。综上所述，本项目取得了一系列原创性的研究成果，填补了多项桥梁振动测试领域的国内外空白。五、结束语总之，课题组已经全面完成了合同和研究大纲规定的全部任务，研究工作量巨大，获得了多项具有重大工程应用价值的应用基础性成果。这些成果对于提高桥梁振动测试、不中断或少中断交通状态下桥梁快速评定的技术水平具有重要的理论意义和工程应用价值，开发的软硬件系统和编制的指南具有广阔的推广应用价值，建议交通部持续支持，设立相关的科研项目，进一步进行产品化后续研究和开发。六、致 谢本项目得到了交通部西部交通建设科技项目管理中心的大力支持，同时也得到国内有关专家的大力支持，以及招商局重庆交通科研设计院有限公司科研管理部门和领导的大力支持，在此表示衷心的感谢！