基于振動測試的鋼橋裂縫損傷檢測試驗研究

李曰兵，姜智文，劉少洋，孔宏艷

(1.東北電力大學建筑工程學院，吉林 吉林 132012;2.吉林省電力有限公司白山供電公司，吉林 白山 134300;3.吉林省農電有限公司白山城郊分公司，吉林 白山 134300)

隨著社會的發展和科技的進步，許多工程結構正向著大型化、復雜化方面發展，如空間網格結構、大跨度橋梁、超高層建筑、海上平臺等。結構在使用過程中，由于受氣候、環境因素以及人為因素的影響，不可避免地出現不同程度的損傷。大型復雜結構的局部損傷，可能導致整個結構的失穩、破壞乃至坍塌，后果不堪設想。此外，結構的老化會導致結構強度降低、剛度退化，這也可以看作是結構的一種損傷，對老化結構的維修與加固所需的費用也是驚人的。由此可見，由于結構損傷導致的后果不但會造成經濟上的巨大損失，而且會對人的生命安全造成嚴重威脅。因此，及時發現、定位結構的損傷并對其進行準確的評估對社會、經濟和人身安全都具有十分重要的影響。為了確保結構使用的安全性和耐久性，通過一定的檢測手段和方法對結構的健康水平進行評估，已經成為國內外學術界和工程界的熱點研究課題。損傷監測技術是一門新興的多學科前沿知識相交叉的學科[1]。

結構發生損傷會引起其剛度、質量、約束條件等物理屬性的改變，進而導致結構振動參數如阻尼系數、固有振動頻率、振型等的改變。也就是說，振動特性能夠表現結構的健康狀態，通過采集振動數據、分析振動參數可以實現監測重要結構是否發生損傷，并進一步確定損傷的發生位置[2]。基于對結構振動數據的采集和分析，能應用于復雜結構并易于實現智能在線監測的健康監測理論與試驗方法得到了較快的發展。這一檢測方法的優點在于，不但能夠檢測到結構表面的損傷，而且能夠檢測到大型結構的內部損傷，并便于實現結構健康狀況的實時在線監測，節約很多的人力物力。

本文以某廢棄鐵路線的小型鋼橋為試件，開展人工激振試驗，研究通過振動響應模態參數變化檢測并定位鋼橋主梁裂縫損傷的方法。

1 原 理

在相同外界條件下，利用相同激振波對橋梁同一位置激振，裂縫損傷產生后，鋼橋的剛度發生變化，并導致橋身各點的加速度反應發生變化，但各點的改變幅度和比例不同，與損傷的位置和程度密切相關。利用積層壓電驅動器激振橋身，通過分布在橋身上的傳感器采集加速度反應數據，通過對比橋身不同點位的加速度反應功率譜密度變化實現對橋梁損傷的檢測與定位。

結構的加速度反應為時域信號，雖在數據采集瞬間即可知信號的幅值，但如果將信號由時域表示改用頻域表示，可以更加深刻的洞察信號以及產生信號的系統特征。這種轉變通常采用基于高速傅里葉變換的計算機程序自動實現[3，4]。

假設某一連續時域x(t)，定義域為[0，T]，則傅立葉譜轉換X(f)為:

式中各參數均采用工程單位(EU)，如m/s2、g。功率譜為:

式中，* 表示復共軛，單位為(EU)2。功率譜密度為:

1.投資公司應該高度重視自身的風險管理工作，構建完善的風險預警體系。決策層的管理人員必須具備極強的風險意識和管理水平，在工作中擁有極高的警惕性，能夠準確分析企業當前的經濟增長點和的存在風險的部分。

式中，E[ ]表示某一頻段f的n次樣本均值。

用 Gi(f)(f)分別表示損傷前、后f頻段的功率譜密度值，則該頻段加速度反應功率譜密度(PSD)變化量為:

按一定頻率范圍分割加速度反應數據成m段，記為f1～fm，各加速度傳感器在不同頻段的功率譜密度變化值用矩陣表示為:

式中:n為加速度傳感器編號;m為某一頻率段數據編號。

則(5)矩陣中各列元素表示同一頻率、不同位置加速度傳感器的PSD變化量，由損傷導致的各傳感器的PSD變化值可表示為:

2 試驗系統與設置

2.1 系統組成

基于振動測量的損傷檢測試驗系統由激振部和加速度反應數據采集部兩大部分組成，系統組成及儀器型號如圖1所示。激振部由信號發生器、放大器、壓電激振器組成。通過信號發生器設置激振波形、時間、頻率等激振波參數，經過信號放大器放大激振信號，驅動壓電激振器，從而實現對鋼橋激振。加速度反應數據采集部由壓電加速度傳感器、雙頻道信號增幅器、端子臺、A/D變換卡、及裝有加速度數據采集軟件LabView的筆記本電腦組成[5]。

2.2 試件與儀器布置

試驗用小型鋼橋全長3550 mm、寬1168.4 mm、高406.4 mm，由2根焊接工字鋼主梁、4根槽鋼橫梁組成，該橋建于1909年，2006年鐵路線廢止后用于損傷檢測研究。由于試件原址偏僻，開展振動實驗比較困難，所以將試件運到郊區實驗場后，簡支于兩根枕木上進行實驗，見圖2。

激振位置為I形主梁跨中腹板中心內側，見圖3。在激振側主梁的腹板外側設置8個加速度傳感器(Ch1～Ch8)，傳感器布置及編號見圖4、圖5，傳感器ch5與激振器分別位于主梁腹板同一位置的內外兩側。

2.3 損傷工況

3 試驗方法

在試件的健全與損傷5種工況下，每工況進行5次激振試驗，加速度反應數據分別記為:D00_1、D00_2…D0_5…D10_1…D13_1…D13_5，即共有15條加速度反應數據。

設置激振波形為正弦掃頻Sweep波，激振時間18 s，激振頻率1 Hz～700 Hz;設置信號放大器電壓100 V，為保證實驗人員安全及實驗數據的準確，信號放大器接地;設置加速度反應數據采集軟件Labview參數為讀數頻率1600 Hz、采集時間20 s，同時設置各加速度傳感器校正系數。在采集加速度反應數據時，數據采集開始時間應稍早于激振開始時間，以保證采集數據的完整性。為避免儀器拆裝對激振力與加速度反應數據的影響，實驗過程中不拆除激振器與傳感器，直至實驗全部結束。

4 試驗結果

篇幅所限，以Case0和Case13為例分析試驗數據。

4.1 加速度反應

健全工況Case0和損傷Case13下，傳感器Ch5的加速度反應波形見圖7。

4.2 加速度反應功率譜密度

圖7中加速度反應波形經快速傅立葉變換得加速度反應功率譜密度曲線見圖8。

損傷前后各加速度傳感器的功率譜密度變化值見圖9。

4.3 損傷位置預測

損傷位置預測指標見圖10。

5 結 論

通過實驗，探索了通過振動測量進行鋼橋裂縫損傷識別與定位的途徑。通過圖9、10可得出如下結論:

1)裂縫損傷產生后各傳感器PSD變化值發生了較大變化，由此可知損傷的發生;

2)相同工況下各次實驗之間的PSD變化值的微小變化是由噪音等的環境變化引起的;

3)不同位置的加速度反應功率譜密度變化不同;

4)根據損傷位置預測指標圖，判斷裂縫損傷發生在傳感器ch6附近，與實際情況相符。

[1]高維成，劉偉，鄒經湘.基于結構振動參數變化的損傷探測方法綜述[J].振動與沖擊，2004，23(4):1－7.

[2]Beskhyroun S，Oshima T.A numerical analysis of structural damage detection using changes in the curvature of power spectral density[J].Journal of Structural Engineering，2005，51A(3):38 －49.

[3]李昕宇，山崎智之，三上修一等.RC構造欠陥検出のための局部振動実験及び數値シミュレーション[C].日本.土木學會北海道支部論文報告集，2009，65(A －20):35－38.

[4]Beskhyroun S，Oshima T，et al.Damage detection and localization on structural connections using vibration － based damage identification methods[J].Journal of Applied Mechanics，2003，.6(8):1055 －1064.

[5]Oshima T，et al.Study on damage evaluation of joint in steel member by using local vibration excitation[J].Journal of Applied Mechanics，2002，5(5):837 －846.