車輛對連續(xù)橋梁影響的損傷檢測

車輛對連續(xù)橋梁影響的損傷檢測文摘本文提出一種多級多通道的方法來識別損傷的位置連續(xù)橋梁響應(yīng)的車輛移動(dòng)的粗糙路面上橋。 車輛在橋上運(yùn)行幾次在不同車輛的速度和相應(yīng)的反應(yīng)。 車輛運(yùn)行在完整的垂直加速度和受損橋梁用于識別。 多級破壞檢測方法實(shí)現(xiàn)基于模態(tài)應(yīng)變能法和遺傳算法。 基于模態(tài)應(yīng)變能的計(jì)算方法估計(jì)位置的損害破壞指標(biāo)從頻率提取的車輛響應(yīng)完整和損壞的橋的數(shù)據(jù)。 在第二階段,識別問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)全局優(yōu)化問題,解決了遺傳算法技術(shù)。 對于每一個(gè)通過的車輛,該方法可以識別損傷的位置,直到確定可接受的精度。 雙跨度連續(xù)橋是用來驗(yàn)證方法。 數(shù)值結(jié)果表明,該方法可以識別損傷的位置相當(dāng)不錯(cuò)。1.介紹橋梁結(jié)構(gòu)的安全是非常重要的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的國家,因此它是非常重要的,以確保橋梁狀況良好。 各種損傷診斷技術(shù)也已經(jīng)被開發(fā)出來,以滿足這種需求1, 2。 航空航天和海洋石油行業(yè)進(jìn)行了早期損傷檢測自1970年代末和1980年代，分別,在土木工程社區(qū),結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是一個(gè)比較活躍的領(lǐng)域當(dāng)前研究3。 記錄的振動(dòng)結(jié)構(gòu),提取模態(tài)特性,然后從變化識別損傷的結(jié)構(gòu)屬性是最受歡迎的方法4。這是基于假設(shè)通常測量模態(tài)參數(shù)(特別是頻率、模式的形狀,和模態(tài)阻尼)是物理性質(zhì)的功能結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度。 因此,物理性質(zhì)的變化,如減少剛度造成的裂縫或放松的連接,將導(dǎo)致檢測這些模態(tài)屬性的變化。 模態(tài)屬性或?qū)傩缘淖兓从谶@些數(shù)量被用來作為損傷指標(biāo)1。 前最重要的一個(gè)問題是在于分析模型之前和/或測試數(shù)據(jù)的檢測和位置損傷1。 損傷檢測法在時(shí)間域可以一定程度上解決這個(gè)問題。近年來他時(shí)域方法更加受歡迎來檢查的非平穩(wěn)信號1。短時(shí)傅里葉變換方法,總時(shí)間間隔分為短時(shí)間間隔的快速傅里葉變換應(yīng)用到每個(gè)時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間窗口方法縮小了時(shí)間間隔的損害位置6。然而,不確定性原理的約束限制了獲得決議,促使另一種方法在多分辨率的出現(xiàn)稱為小波變換分析7。小波變換可以適應(yīng)窗戶,這就是為什么它也被稱為數(shù)學(xué)顯微鏡。他的性質(zhì)使它損壞的一種適當(dāng)?shù)姆椒▉頇z測響應(yīng)8。在這里其他一些方法用于損傷檢測。遺傳算法,是其中一個(gè)用于改良這項(xiàng)研究。遺傳算法(氣),起源和發(fā)展于荷蘭,是基于機(jī)制的搜索算法自然選擇和自然遺傳學(xué)9。天然氣是不同于傳統(tǒng)的優(yōu)化程序在四個(gè)方面:(a)氣體處理參數(shù)集的編碼,而不是參數(shù);(b)氣體從人口點(diǎn)搜索,而不是單點(diǎn);(c)氣體使用目標(biāo)函數(shù)信息而不是衍生品或其他輔助知識;和(d) 天然氣使用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則,而不是確定性規(guī)則。由于結(jié)構(gòu)損傷檢測可以轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題,氣體可以用來做檢測的損害。上述方法確定的條件通過把傳感器在橋上感應(yīng)橋梁響應(yīng)。還可以檢測橋梁過往的車輛上的傳感器。使用傳感器在橋上車輛識別損傷反應(yīng)具有一定的優(yōu)勢。首先,汽車傳感器和激勵(lì)器。更方便,因?yàn)樗箻虻年P(guān)閉更短甚至是不必要的。其次,它不受損壞的位置和分布傳感器因?yàn)檐囕v運(yùn)行和整個(gè)橋梁的檢測Yang1113。從一個(gè)移動(dòng)的車輛提取橋頻率這項(xiàng)工作的啟發(fā),布魯里等人提出了一個(gè)損壞的檢測方法基于動(dòng)態(tài)響應(yīng)敏感性分析和正則化技術(shù)5。Nguyen和Tran14應(yīng)用小波變換的位移一個(gè)移動(dòng)的車輛的歷史。Zhang 15模式形狀廣場從響應(yīng)中提取并進(jìn)行了損傷檢測。他沒有考慮以上工作橋的粗糙度,這將是一個(gè)非常重要的因素影響車輛的振動(dòng)。他之前基于模態(tài)應(yīng)變能的損傷檢測方法應(yīng)用于分析車輛的反應(yīng)16,提出了兩種可能位置的損傷。他是由于基于頻率的損傷檢測方法的限制17。他也進(jìn)行了損傷檢測車輛的使用小波變換從響應(yīng)18。他的論文將考慮氣候影響粗糙度的登車橋相互作用系統(tǒng)的損傷識別。他的策略是基于模態(tài)應(yīng)變能法和遺傳算法的結(jié)合技術(shù)?；谀B(tài)應(yīng)變能方法可以縮小搜索空間,節(jié)省計(jì)算時(shí)間和GA技術(shù)?；谀B(tài)應(yīng)變能方法可以縮小搜索空間,GA算法節(jié)省計(jì)算時(shí)間和提高的機(jī)會(huì)獲得正確的解決方案。2.車橋相互作用系統(tǒng) 圖1顯示了典型的登車橋相互作用系統(tǒng)的草圖。它包含一個(gè)連續(xù)的橋梁和車輛運(yùn)行在一個(gè)恒定的速度。他橋使用有限元建模方法和建模為系統(tǒng)質(zhì)-彈。他車輛模型包含五個(gè)參數(shù)。它是由一個(gè)集中質(zhì)量模擬m2,彈簧剛度k2,阻尼c2。模擬車輪使用一個(gè)集中質(zhì)量m1和僵剛度k1的彈簧連接車輪和路面。 2.1運(yùn)動(dòng)方程。當(dāng)車輛從橋的一端到另一端以恒定速度、橋梁和車輛將垂直振動(dòng)。一個(gè)向量Ub1（t）是用來表示一系列節(jié)點(diǎn)的垂直位移由元素模型的橋。首先,二階導(dǎo)數(shù)對時(shí)間t,也就是說Ub1（t）和Ub2（t）,分別是垂直速度和加速度相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。這些符號q1（t）和q2（t）分別表示車輪和車身的垂直位移。當(dāng)他們接觸力的相互影響,車輛的振動(dòng)受橋的振動(dòng),反之亦然。這是一個(gè)耦合振動(dòng)系統(tǒng)。假設(shè)汽車的質(zhì)量相比是微不足道的橋。運(yùn)動(dòng)的控制方程中使用表示為完全計(jì)算機(jī)化方法。方程(1)可以使用紐馬克-解決方法,威爾遜-0方法,或類似的計(jì)算車輛和橋梁的響應(yīng)。 2.2建模的粗糙度。橋的隨機(jī)路面粗糙度可以描述一種零均值,元,平穩(wěn)高斯過程(3) (4).在這W1和Wu分別是上下的空間頻率。19功率譜密度函數(shù)Sr（Wh）可以表示空間頻率Wh路的表面粗糙度是(5)a光譜粗糙度系數(shù)的價(jià)值決定基于路面的分類條件根據(jù)ISO規(guī)范20。車輛和橋梁之間的接觸力fc可以寫成(6)。上面的方程意味著粗糙度和垂直位移的對應(yīng)點(diǎn)氣候影響接觸力以類似的方式。如果粗糙度的高度明顯大于橋的位移的價(jià)值,粗糙度控制接觸力。所以，橋的識別信息,響應(yīng)的至少應(yīng)該與粗糙度有關(guān)。 2.3測量噪聲。測量噪聲也應(yīng)該被認(rèn)為是使模擬更接近現(xiàn)實(shí)。損傷檢測進(jìn)行了假設(shè)信號是受污染的5%白噪聲所示(7). Qvm是模擬測量響應(yīng)的車輛，n是一個(gè)態(tài)分布隨機(jī)陣列與零均值和單位方差。測量噪聲氣候影響的響應(yīng)和識別,但其氣候影響比粗糙度小得多。3多級多通道的損傷檢測方法 該方法包含兩個(gè)階段,基于模態(tài)應(yīng)變能法和遺傳算法方法修改。在第一階段,基于模態(tài)應(yīng)變能方法簡單和快速的大致估計(jì)損傷的位置,以縮小搜索域的第二階段。車輛在橋上可以運(yùn)行幾次,讓一系列車輛響應(yīng)。使用多個(gè)傳遞因?yàn)槲ｋU(xiǎn)車輛和速度的屬性會(huì)激發(fā)橋景,這將有助于保證識別的正確性。 3.1基于模態(tài)應(yīng)變能方法。幾個(gè)模態(tài)損傷診斷的開發(fā)基于屬性的方法?；谀B(tài)應(yīng)變能方法被選中,因?yàn)樗浅５挠行?可以估算出損壞的位置如果受損結(jié)構(gòu)的頻率是可用的2123。完整的橋,頭幾個(gè)模式的形狀可以模擬由元素領(lǐng)域獲得的方法或測試。如果忽視了質(zhì)量的變化,部分第i個(gè)特征值的變化由于損傷(8)。一個(gè)參數(shù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的NE元素和N節(jié)點(diǎn),損失可能預(yù)測的敏感性方程(9)。在這aj(-1,0)是剛度的分?jǐn)?shù)降低jth元素和模態(tài)能量的一部分或靈敏度在ith模式集中jth元素,Fij結(jié)構(gòu)通過(10)。任何兩種模式m和n,你可以從(9)敏感性計(jì)算獲得(11)的比例。mth與nth的關(guān)系可以與關(guān)聯(lián)(12)作為特征值。如果NM模式測量, (12)可以擴(kuò)展到(13)。基于上面的方程,一個(gè)錯(cuò)誤索引emj開發(fā)成(14)。特別是在emj= 0表示,損失是位于使用jth元素模態(tài)信息。占所有可用的模式,可以形成一個(gè)作為單一損傷指標(biāo)jth(15)。已經(jīng)驗(yàn)證的損害如果發(fā)現(xiàn)道路被認(rèn)為是光滑的表面16，破壞位于j元素如果DIj方法的地方最大的點(diǎn)。 3.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解。對于這個(gè)基于頻率的方法,提取從車輛響應(yīng)頻率是很重要的。幫助確定頻率精確,使用一些信號處理技術(shù),包括常用的過濾技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)提出的Huang24。使用EMD將信號分解為一系列的固有模式函數(shù)(進(jìn)行)。給定一組測量數(shù)據(jù)X(t),EMD算法,以選址過程,探討目前被描述如下。(a)識別所有數(shù)據(jù)的局部最大值和最小值X(t),然后計(jì)算相應(yīng)的由三次樣條曲線插值信號。這些信號是信號的上、下殼層。所有的極值應(yīng)該覆蓋在這兩個(gè)殼層。讓m1表示上部和下部的殼層。之間的各種數(shù)據(jù)表示m1(16)。(b)在理想情況下,h1應(yīng)該是第一個(gè) (IMF)組件。如果h1不滿足要求24,把它當(dāng)做原始數(shù)據(jù),重復(fù)第一步,直到需求滿足。第一個(gè) (IMF)組件被指定為c1。(c)通過從原始數(shù)據(jù)減去c1, 獲得一個(gè)r1(17)。(d)重復(fù)上述選址過程獲得下一個(gè)進(jìn)行。一旦獲得IMFs,把它從信號在預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)得到滿足:要么當(dāng)組件cn或殘留rn變得太小,有物理意義或殘留rn成為一個(gè)單調(diào)函數(shù)IMF可以提取。因此,數(shù)據(jù)X(t)分解(18)。因此, 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分解是N-empirical模式。這個(gè)過程確實(shí)是像選址:分離最好的地方從第一只基于的數(shù)據(jù)模式特征時(shí)間尺度。然而,選址過程消除影響:(a)和(b)光滑不均勻的振幅?？焖俑道锶~變換應(yīng)用到這些。它很容易提取更高頻率。 3.3.修改后的遺傳算法。損傷檢測可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)優(yōu)化問題。元素剛度與粗糙度可視為未知參數(shù)。假設(shè)橋沒有傷害的屬性是已知的。目標(biāo)函數(shù)可以設(shè)置為響應(yīng)之橋上運(yùn)行車輛的當(dāng)前和完好數(shù)據(jù)是(19)。隨機(jī)性的GA的性質(zhì)使得一場虛驚有時(shí)發(fā)生,但多次將防止這種情況?？梢苑譃閮蓚€(gè)部分的響應(yīng)。第一階段利用結(jié)果從第一部分和識別損傷的位置。通常,至少應(yīng)該包含這部分的回應(yīng)三通過。GA將大致確定損傷的位置根據(jù)這些反應(yīng)。如果從這些通過確定位置是相同的,不需要進(jìn)一步的行動(dòng)。如果反應(yīng)的結(jié)果表明,所確定的位置是景,這些潛在的位置將提供第二階段。這樣一種方式將極大地減少誤報(bào)的可能性,可能會(huì)降低搜索領(lǐng)域。他人口規(guī)模和生成用于GA會(huì)因此減少,這將節(jié)省計(jì)算時(shí)間。4數(shù)值研究 雙跨度連續(xù)橋是用來證明損傷診斷策略。橋跨的屬性L2=L1 = 25m,楊氏材料模量E= 2.751010N / m2,密度P= 3333公斤/立方米,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I= 0.12 m4。不考慮阻尼為有限元元素的長度分析是1.25m。對于五個(gè)車輛參數(shù)，相關(guān)值選擇如下:m2 = 19840kg,k2 = 1105 N/ m,q2 = 2103 Ns / m,m1 = 160kg,k1 = 1105 N/ m。模擬粗糙度如圖2所示,詳見下一節(jié)。車輛獲取車輛的速度響應(yīng)0.6 m / s,0.8 m / s,1 m / s,1.2 m / s，1.4 m / s。集成是0.001秒的時(shí)間步。損害是建模為一個(gè)剛度的減少在梁的一個(gè)元素。本文選擇損害周圍的位置點(diǎn)分別是第一季度第一跨度的梁對應(yīng)第四和第十的梁元素。剛度將減少30%。為了方便,減少僵硬是反映在等效楊氏模量與其表示的損傷診斷的結(jié)果。 4.1粗糙度的概要文件。兩個(gè)粗糙的概況構(gòu)造。其中一個(gè)是如圖2所示。 4.2在第一階段損傷檢測?？梢杂?jì)算出車輛的垂直加速度(1)是1 m / s,車輛快速響應(yīng)如圖3.所示。傅里葉變換應(yīng)用于提取頻率造成的響應(yīng)。前五個(gè)頻率的完整的橋可以獲得和受損的橋梁。基于模態(tài)應(yīng)變能法第一階段的損傷診斷。圖4與兩個(gè)山峰意味著可能有兩個(gè)損壞的位置雖然造成的損害是在一個(gè)單獨(dú)的元素。兩個(gè)最近的元素每個(gè)峰值被視為潛在的損傷位置。因此,每種情況完全有四個(gè)可能的解決方案。 4.3在第二階段損傷檢測。第一階段可以限制某些元素雖然受損的位置，不能限制損害單個(gè)元素。這將有助于縮小搜索域的后續(xù)工作。圖4為示例,顯示了損失可能在第37第四元素或元素,這表明第二階段只需要確定哪些損壞的兩個(gè)元素。根據(jù)反應(yīng)分為車輛的兩個(gè)部分速度。第一部分包含響應(yīng)當(dāng)車輛運(yùn)行速度為0.6 m / s,1 m / s,1.4 m / s,其余的反應(yīng)屬于第二部分。將遺傳算法應(yīng)用于第一部分,Young確定的值模量元素如圖5所示。損壞的位置確定時(shí)從三個(gè)通過在第四元素造成的損害。然而,位置第二例的損害尚未確定。甚至這一階段并不限制損害一個(gè)元素,它不僅消除了一半的可能性,而且還提供了關(guān)于粗糙度的概要文件的更多信息。分析的第二部分使用GA的響應(yīng),可以確定損傷