[发明专利]一种基于温度改变的桥梁快速测试与评估方法

摘要

本发明公开了一种基于温度改变的桥梁快速测试与评估方法，通过设置在桥梁上的传感器对桥梁结构在不同温度条件下的结构动力响应进行采集，利用动力信号分析方法识别桥梁结构在不同温度条件下的基本动力特性参数，并将其代入振型缩放系数与外界温度条件以及动力参数之间的映射关系中，得到桥梁结构的振型缩放系数以及不同温度条件下的位移柔度矩阵深层次参数，从而预测结构在任意静力荷载下的变形、进行损伤识别以及进行结构长期性能研究，本发明克服了传统冲击振动测试需要人工激励装置以及封闭交通的缺点，同时克服了现有环境振动测试方法不能有效支持桥梁结构安全评估的缺点，具有测试时间少，不需要封闭交通，精度高以及抗噪音能力强的优点。

主权项

1.一种基于温度改变的桥梁快速测试与评估方法，其特征在于，包括传感器系统、数据采集系统以及数据分析系统，所述传感器系统用来获取桥梁结构在参考温度T₀、改变温度T₁和T₂条件下的测点加速度时程以及外界温度条件；所述数据采集系统用来采集和保存加速度传感器获取到的加速度信号以及温度传感器采集的不同外界温度条件；所述数据分析系统根据不同温度条件下的加速度结构动力响应获取桥梁结构的基本模态参数，通过参考温度T₀、改变温度T₁和T₂三种状态下的温度荷载值以及基本模态参数计算桥梁结构的振型缩放系数，结合振型缩放系数和不同温度条件下的基本模态参数可以识别桥梁结构在不同温度条件下的位移柔度矩阵；具体步骤包括：步骤一，通过在设置在桥梁长度方向上的一组传感器对桥梁结构在参考温度T₀、改变温度T₁和T₂条件下的结构动力响应进行采集；步骤二，在采集得到桥梁结构在不同温度条件下的结构动力响应之后，通过模态分析算法识别得到桥梁结构在参考温度T₀条件下的第r阶固有频率ω_0r和未归一化振型{ψ_r}，以及改变温度T₁和T₂条件下的第r阶固有频率ω_1r和ω_2r，从而得到关于振型缩放系数的未知系数以及的表达式为：其中：I为测试截面惯性矩；C_T＝Aα(2T₀²+T₁²+T₂²‑2T₀T₁‑2T₀T₂)；{ψ_r}为参考温度T₀条件下的第r阶未归一化振型{ψ_r}；{ψ_r}^T为第r阶未归一化振型{ψ_r}的转置矩阵；A为测试截面面积；α为测试结构所采用材料的温度线膨胀系数；矩阵[B]为关于形函数一阶导数的常数矩阵，其表达式为矩阵[G]为关于形函数二阶导数的常数矩阵，其表达式为其中：N为布置传感器的数目,取值范围为1、2、3…；[B_k]＝d[N_k]/dx为第k个单元形函数矩阵的一阶导数；[G_k]＝d²[N_k]/dx²为第k个单元形函数矩阵的二阶导数；形函数矩阵[N_k]表示为[N_k]＝[0,0,0,...,N₁,N₂,N₃,N₄,...,0,0,0],为第k个单元的形函数在整体坐标系中的表达式；x为第k个单元中任一点与结构支座端的距离；l为相邻传感器之间的距离；步骤三，通过未知系数与振型缩放系数Γ_r之间的关系以及未知系数与振型缩放系数Γ_r之间的关系可以得到第r阶振型缩放系数Γ_r的表达式为：其中：c为测试结构所采用材料的弹性模量与温度改变量之间的比例系数，对于混凝土材料而言为c＝‑5.4633×10⁷Pa/℃；步骤四，从而可以得到桥梁结构在参考温度T₀、改变温度T₁和T₂条件下的位移柔度矩阵，参考温度T₀下的表达式为：其中：β_r为关于结构固有频率的常数，其值为β_r＝1/2jω_0r，j为虚数单位；λ_0r参考温度T₀条件下结构的第r阶极点，与结构固有频率和阻尼比的关系为ξ_0r为参考温度T₀条件下的阻尼比系数；β^*_r、和分别为β_r、{ψ_r}和λ_0r的共轭复数；{ψ_r}^T分别为和{ψ_r}的转置矩阵；最后，基于识别的位移柔度矩阵来预测桥梁结构在任意静力荷载下的挠度、损伤识别以及桥梁结构长期性能研究，以及对桥梁结构的安全状态进行评估。