敲击扫描式桥梁损伤识别理论及算法课件

,#,敲击扫描式桥梁损伤,识别理论及算法,敲击扫描式桥梁损伤,1,背景和需求,2/45,由“,重建轻养,”向“,建养并重,”甚至“,以养为主,”转变。,桥梁快速检测和评估技术是近年来行业亟待解决的问题。,90,85,80,75,70,65,60,55,50,87.83,85.15,83.25,80.53,77.92,75.71,73.58,71.37,68.94,65.81,62.19,59.46,57.00,53.26,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019,2006-2019,年中国公路桥梁的数量（万座）,交通运输行业发展统计公报,背景和需求2/45 由“重建轻养”向“建养并重”甚至“以养,2,全生命周期监测,检测,3/45,历史数据对比,原始,指纹,特殊检查,（专门、应急）,定期检查,（不超过,3,年）,成桥检测,施工监测,经常检查,（每月,实时监测,1,次，主要用目测）,全生命周期监测 检测3/45历史数据对比原始特殊检查（专门、,3,存在的问题,4/45,检测经费有限，往往划出路网中某几条道路上的桥梁进行,检测。会出现“,好桥过检,”和“,坏桥漏检,”的现象。,往往随机选定多跨桥梁的某跨进行荷载试验，也会出现,“,好跨过检,”、“,坏跨漏检,”的情况。,历史数据缺失。,存在的问题4/45 检测经费有限，往往划出路网中某几条道路,4,存在的问题,5/45,常规检测方法以人工观测为主，辅以动静载试验。具有,较高的检测精度,，但是往往需要,封闭交通,，检测,效率低,、,实时性差,（两次检测之间有较长的空白期）。,存在的问题5/45 常规检测方法以人工观测为主，辅以动静载,5,存在的问题,6/45,健康监测系统,实时性好,，,不影响桥梁的正常交通,，但是检,测,精度相对较低,、,造价高,、,维护成本高,，特别适用于大型,桥梁。,存在的问题6/45 健康监测系统实时性好，不影响桥梁的正常,6,快速筛查,7/45,针对,中小型桥梁,：,不中断交通,检测实时性,高,不需要历史档案,简单、快速,C,：健康监测系统,B,：快速筛查,A,：人工检测,检测精度,低,高,快速筛查7/45针对中小型桥梁：检测实时性 不需要历史档案,7,损伤检测的要素,8/45,什么是桥梁的损伤？,影响桥梁正常运行的,结构,或,材料,因素,公路桥涵养护规范,JTG,H11-2004,公路桥梁技术状况评定,标准,JTG/T,H2,201,损伤检测的要素8/45 什么是桥梁的损伤？影响桥梁正常运行,8,损伤检测的要素,9/45,哪些物理量对损伤敏感？以刚度（,EI,）变化为例,16,种损伤工况,静挠度测试,模态测试,静挠度对局部损伤不敏感,7.64,吨集中荷载下每个测点的静挠度（,mm,）,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,无损,-0.10,1.31,2.28,3.09,3.73,4.22,4.37,4.25,3.86,3.27,2.38,1.49,0.02,有损,-0.05,1.35,2.28,3.13,3.73,4.22,4.40,4.25,3.84,3.32,2.46,1.60,-0.01,低阶频率和,模态对局部,损伤不敏感,损伤检测的要素9/45 哪些物理量对损伤敏感？以刚度（EI,9,损伤检测的要素,10/45,损伤梁频率和模态的解析解,Xiang and,Zhang, IMM,2009,A,y,(,EI,),M,1,l,1,(,EI,),(,EI,),1,2,1,h,1 m,h,1 m,x,M,2,M,1,l,1,1 m,l,2,A,-,A,A,l,2,L,Natural Frequency (Hz),Mode,1,2,3,4,5,Intact,0.248,0.993,2.235,2.229,2.230,8,3.974,3.928,3.930,9,6.209,6.036,6.042,10,ANSYS,0.243,0.967,Theory,0.243,0.967,Damaged,Mode,Intact,6,7,8.941,12.170,15.895,20.118,24.836,ANSYS,8.860,12.103,15.477,19.786,24.731,Theory,8.873,12.127,15.518,19.852,24.831,Damaged,损伤检测的要素10/45 损伤梁频率和模态的解析解Xian,10,损伤检测的要素,11/45,若应变计所处位置正好出现损伤，则所测应变对局部损伤敏感,新兴塘桥主桥中跨底板裂缝示意图,沪宁高速新兴塘桥（已拆除重建）,A,1,2,3,4,5,6,7,8,9,200,200,150,100,50,右侧,左侧,32m,50m,32m,150,100,50,1280,60,20,25,-40,-20,0,20,40,60,80,100,120,140,-40,-20,0,20,40,60,80,100,120,140,Strain,Strain,20,29,30,19,5,30,30,20,静车加载时，,A,截面轴向应变沿梁高分布,500,损伤检测的要素11/45 若应变计所处位置正好出现损伤，则,11,损伤检测的要素,12/45,怎样识别损伤（是否有损伤，位置和大小）？,直接法,外观检查（看不到内伤）,静位移、低阶频率和模态对损伤不敏感,应变计容易漏检,漏检,损伤,检出损伤,损伤检测的要素12/45 怎样识别损伤（是否有损伤，位置和,12,损伤检测的要素,13/45,间接法,构造包含局部因素的损伤指标,引入转角或曲率（曲率模态、模态应变能等）,需要密布测点,Xiang and Zhang, IMM,2009,ANSYS,Theory,Intact,0.15,0.10,0.05,0.00,-0.05,-0.10,0.15,0.10,0.05,0.00,-0.05,-0.10,转,角,模,态,x,(m),x,(m),0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,-0.15,0.10,-0.15,0.20,mode1,mode2,0.10,0.00,0.00,曲,率,模,态,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,-0.10,-0.20,-0.30,-0.40,-0.50,-0.60,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,1,00,-0.10,-0.20,-0.30,-0.40,-0.50,-0.60,-0.70,损伤检测的要素13/45 间接法构造包含局部因素的损伤,13,损伤检测的要素,14/45,辨识刚度的分布,需要有限元模型和大量测点,Li,et,al., CNME, 2008,1,5,6,7,9,1,5,6,7,9,2,3,4,8,2,3,4,8,32m,50m,32m,32m,50m,32m,Scheme 1,Scheme 2,Identified,bending,stiffnes,（,1,1,Nm,）,Optimized,measurements,Scheme,1,2,1,3,4,5,6,7,9,4.718,2.615,4.938,0.425,3.135,3.266,2.004,1,3,4,5,6,7,9,5.439,3.014,5.917,0.289,3.414,3.448,2.116,Xiang et,al., IPSE, 2012,损伤检测的要素14/45 辨识刚度的分布 需要有限元模型和,14,损伤检测的要素,15/45,扫描法,2005,年北京四元桥匝道检测现场,漏检,损伤,检出损伤,传统方法在桥梁上安装传感器,扫描检测出,所有损伤,扫描方法不需要在桥梁上安装传感器,损伤检测的要素15/45 扫描法2005年北京四元桥匝道检,15,敲击扫描方法,16/45,车辆扫描方法不影响正常交通，简单、易于维护,Yang,et,al.,JSV,2004,Lin,and,Yang,Eng,Struct,2005,敲击法灵敏度高、抗干扰性好、简单易行，但主观性较强,损伤,Tap,Tap,轻微损伤并不显著改变声音的共振,峰位置，但会显著改变共振峰的相,对大小（频谱的包络线的形状）,Cawley,and,Adams,JSV,1988.,敲击扫描方法16/45 车辆扫描方法不影响正常交通，简单、,16,敲击扫描方法,17/45,+,敲击法,扫描法,敲击扫描法,扫描检测出,所有损伤,敲击扫描方法17/45+敲击法扫描法敲击扫描法扫描检测出所有,17,理论模型,18/45,理论模型18/45,18,19/45,19/45,19,20/45,20/45,20,21/45,21/45,21,敲击扫描方法,22/45,加速度,功率谱,归一化，,显示损伤,指标,两两比较，,得到对称的,距离矩阵,损伤改变,包络形状,自身,两两比较,后，在损伤处会出现,突,变,，因此可以,不依赖于结构的历史健,康信息,进行损伤识别。,不需要有限元模型,，便,于工程应用。,敲击扫描方法22/45加速度功率谱归一化，两两比较，损伤改变,22,发展历程,23/45,i,i,r,r,y,0,i,0,i,m,m,v,M,k,V,x,EI,，,m,L,初步想法（,2005,）,理论研究,（自然科学基金,2008,）,实验室验证（,2010,）,向智能化、集成化,工程样车、计量、结合规范,原理样车实验（,2012,）,方向发展（,2018 ,）,评估（,2012, 2017,）,发展历程23/45i irry0i0immvMkVx,23,主动式敲击扫描系统,24/45,敲击力控制软件,数据采集和处理软件,损伤分析软件,主动式敲击扫描系统24/45敲击力控制软件,24,主动式敲击扫描系统,25/45,主界面,确定敏感频率,激振控制,&,同步信号采集,损伤识别,主动式敲击扫描系统25/45主界面确定敏感频率激振控制&同步,25,现场试验,26/45,现场试验26/45,26,现场试验,27/45,T,梁腹板裂缝,T,梁翼板修补,T,梁翼板锈蚀,T,梁翼板破损,横隔板破损,桥墩支座脱空,箱梁腹板露筋,板梁露筋,板梁裂缝,箱梁腹板修补,箱梁底板空洞,箱梁底板修补,现场试验27/45T梁腹板裂缝T梁翼板修补T梁翼板锈蚀T梁翼,27,现场试验,28/45,50m,拱桥，,2012.9,Diaphragm,1Diaphragm,2Diaphragm,3Diaphragm,4Diaphragm,5,现场试验28/4550m拱桥，2012.9Diaphragm,28,现场试验,29/45,8,15m,简支,T,梁,（,2012.9,）,（,2015.9,）,工程样车结果,原理样车结果,现场试验29/45815m简支T梁（2012.9）（201,29,现场试验,30/45,16,30m,连续箱梁，,2016.4,现场试验30/451630m连续箱梁，2016.4,30,现场试验,31/45,5,24m,简支,T,梁，,2016.4,98m,处支座脱空,现场试验31/45524m简支T梁， 2016.498m处,31,现场试验,32/45,2016,年,4,月桥梁检测结果统计,桥型,人工法,敲击扫描,人工法和敲击,检测到,法检测到,扫描法共同检,的损伤,的损伤,测到的损伤,4,跨简支,T,梁，总长,65.04m,（,415.0m,）,4,跨,型梁，总长,38.30m,（,17.7+210.5+17.7m,）,1,跨简支板梁，总长,7.1m,（,15.0m,）,5,跨简支,T,梁，总长,130.70m,（,524.0m,）,3,跨简支板梁，总长,21.00m,（,36.1m,）,7,跨简支,T,梁，总长,84.40m,（,712.0m,）,8,跨简支,T,梁，总长,130.32m,（,815.0m,）,11,跨连续箱梁，总长,333.15m,（,1130.0m,）,16,跨连续箱梁，总长,483.15m,（,1630.0m,）,8,跨连续箱梁，总长,242.05m,（,830.0m,）,3,跨连续箱梁，总长,84.08m,（,326.0m,）,合,计,5,2,8,3,5,2,3,3,3,1,5,1,10,31,20,6,11,33,21,21,21,21,9,9,30,19,6,6,5,16,8,14,8,108,156,102,现场试验32/452016年4月桥梁检测结果统计桥型人工法,32,性能指标,33/45,信噪比,噪声,敲击响应,避开环境噪声频段，,可保证,不中断交通时的可靠检测。,旁边经过的大车可能振开,裂缝，有利于检测。,性能指标33/45 信噪比噪声敲击响应避开环境噪声频段，可,33,和现有检测规范的联系,34/45,将高于平均损伤指标,B,倍标准方差的值突出显示,1.40m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.25m,1.40m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,混凝土梁存在初始损伤，不均匀,B,= 1.0,B,= 1.5,B,= 2.0,和现有检测规范的联系34/45 将高于平均损伤指标B倍标准,34,和现有检测规范的联系,35/45,很难清晰地辨识出,0.7%,截面弯曲刚度损失的损伤,1.40m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.40m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,2cm,侧面损伤,B,= 1.0,B,= 1.5,B,= 2.0,可以依稀地辨识出,3.7%,截面弯曲刚度损失的损伤,2cm,侧面损伤,1cm,底面损伤,1.40m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.40m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,B,= 1.0,B,= 1.5,B,= 2.0,和现有检测规范的联系35/45 很难清晰地辨识出0.7%截,35,和现有检测规范的联系,36/45,可以清晰地辨识出,7.4%,截面刚度损失的损伤,1cm,底面损伤,2cm,侧面损伤,2cm,底面损伤,1.40m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.40m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,B,= 1.0,B,= 1.5,B,= 2.0,可以清晰地辨识出,10.8%,截面弯曲刚度损失的损伤,2cm,侧面损伤,3cm,底面损伤,3cm,底面损伤,1.40m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.25m1.40m,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,B,= 1.0,B,= 1.5,B,= 2.0,和现有检测规范的联系36/45 可以清晰地辨识出7.4%截,36,37/45,37/45,37,和现有检测规范的联系,38/45,调整,值只显示比较严重的损伤信号,和现有检测规范的联系38/45调整 值只显示比较严重的损伤信,38,和现有检测规范的联系,39/45,公路桥涵养护规范,JTG,H11-2004,评定标度,R,1,0,2,简支梁板桥,连续箱梁桥, 1.5, 2.0,(1.5,3.0),(2.0,3.5), 3.0, 3.5,B,基于大量的实测数据，统计出,B,值,公路桥梁技术状况评定标准,JTG/T,H2,201,和评定标度之间的关系，便于应用,和现有检测规范的联系39/45公路桥涵养护规范JTG H1,39,性能指标,40/45,敲击扫描式损伤快速检测车的特点和优点,检测时不需要中断桥梁的交通。,检测时不需要在桥梁上安装传感器，不需要知道,桥梁无损时的特征信息。,能快速对桥梁损伤情况进行快速筛查，找到,截面,等效弯曲刚度损失,。,性能指标40/45 敲击扫描式损伤快速检测车的特点和优点,40,性能指标,41/45,性能指标41/45,41,拓展工作,42/45,被动式敲击扫描方法,Hu,et,al., SCHM,2020,敏感频率,拓展工作42/45 被动式敲击扫描方法Hu et al.,42,拓展工作,43/45,拓展工作43/45,43,应用场景,44/45,针对中小跨径混凝土梁桥,成桥试验,定期巡检,超重车辆通过性快速评估,灾后快速评估,检测实时性,高,C,：健康监测系统,不中断交通,B,：快速筛查,不需要历史档案,简单、快速,A,：人工检测,检测精度,低,高,应用场景44/45 针对中小跨径混凝土梁桥 成桥试验,44,45/45,欢迎讨论,!,45/45欢迎讨论!,45,