文摘

预制、预应力混凝土箱梁作为上层建筑组件通常用于短期和中期跨度桥梁。它们的配置和典型并排放置这些元素使大部分无法目测或无损检测技术的应用。本文表明vibration-based损伤诊断(VBDD)他们的结构健康监测是一种有效的选择。一个箱形梁从拆除桥是用来评估的能力五个不同VBDD算法来检测和定位低水平的剥落损伤,重点只使用少量的传感器和振动的基本模式。所有方法能够检测和本地化破坏一个地区内约1.6倍的纵向间距只有六个均匀分布加速计。应变仪配置为测量曲率也有效,但往往容易在附近的支持损害情况下大错误。有限元分析表明,增加传感器位置的数量会导致定位精度比例增加,而使用额外的模式提供了一些优势和有时会导致的性能恶化VBDD技术。

1。介绍

虽然已经有越来越多的人意识到的下降状态民用基础设施在北美几十年来,最近灾难性桥失败都凸显了问题的严重性,因为它关系到桥梁,和当前的检查和监测实践的不足来评估他们的条件1]。更客观的方法监测桥梁结构健康的追求一段时间的研究社区。而许多当地的无损评价(NDE)方法(2,3[]或全球响应方法4- - - - - -6)是当前使用或在不同的发展阶段,一个特定的结构健康监测中的应用(SHM)技术将是最成功的在其功能密切匹配特定的桥接组件的特性和要求。

Vibration-based损伤诊断(VBDD)可能是特别适合于评估预制的条件,预应力混凝土箱梁。这种类型的梁通常作为上层建筑组件使用短期和中期跨度桥梁。可用在标准截面尺寸和长度,他们通常用于简单跨度建筑,与多个单位安排并排和通过剪力连接键或以其他方式促进负载共享。大部分这些元素仍然无法检验视觉或常见的濒死经历的方法。VBDD技术,另一方面,能够同时评估整个结构组件的状态,不限于访问地区的审讯。他们也被证明是能够识别的存在和位置对其他类型的低水平的损害simple-span结构(7]。VBDD方法的能力因此似乎密切匹配预制箱梁的监控需求,虽然VBDD方法对这些组件的应用程序显然没有在文献中报道。

澄清VBDD背后的原理技术,结构的振动特性(例如,它的固有频率和振型)可以被认为是一个全球响应签名可以作为评估的基础疾病,因为它们包含嵌入的信息结构的内在属性。结构性条件的变化将反映在振动特征,使其在理论上可以识别损伤的存在通过跟踪更改签名。在此基础上,提出了众多VBDD指数(6,8,9),包括那些依靠固有频率的变化(10- - - - - -12),直接改变模式形状(13,14],振型曲率变化[15,16),更改measurement-derived灵活性或刚度矩阵17,18],模态应变能变化[19,20.),和数值模型更新21,22]。

已经应用到许多不同类型的结构(17,23,24),包括实际桥梁结构(12,20.,25- - - - - -30.],VBDD尚未找到广泛接受作为SHM桥梁的工具。事实上,作者没有意识到一个案例中,这些技术被经常应用于桥梁管理系统的监测策略的一个组成部分;成功应用仍然有限,调查专家在研究背景。然而,作为一个相对简单的组件在形式以及应用程序中,预制混凝土箱梁可能特别适合VBDD的应用。

当前研究的目的是评估的能力VBDD技术来识别损伤对预制、预应力混凝土箱梁。不过,值得注意的是,结果可以应用于任何simple-span射线结构组件。为了考虑一个方法,可以实际应用领域,重点是检测(初期)水平低的伤害只使用少量的传感器和振动的基本模式。这项研究是在实验室里进行回收使用的箱形梁拆除桥。考虑到这些组件的安排现场非常类似于实验室的设置,相信实验室调查的结果可以直接转移到该领域,提供类似的实验技术可以应用在现场应用,是注意减轻环境影响的影响。实验数据是辅以有限元分析来探索更多的考虑,包括大量的破坏场景,测量点数的影响形状,用于定义模式的影响占额外的振动模式。

2。实验研究

执行的研究是使用预制预应力混凝土箱形梁,被从一座桥上省道56号在什么叫河在萨斯喀彻温省南部。图1显示了桥前梁更换。最初建于1972年,这座桥有两个12.2米跨度和中央15.2米跨度9每个跨度箱梁并排排列,由木材排和成堆。梁在2001年取代由于广泛的腐蚀后不到30年使用。当时,拆除的长12.2米梁被送往的萨斯喀彻温省大学结构实验室测试(图2(一个))。标准的箱形梁的两倍毫米截面,见图2 (b)。它只是支持实验室的四个角落,导致纵向跨度为11.9米。

程序用于实验研究旨在模拟方法,几乎可以应用于现场应用。这包括使用相对较少的传感器和“输出”的模态分析方法,它不需要激发力的测量,因此,不利用频率响应函数(降维)。的测量领域的应用程序一般包括定期梁的动态属性,可能在每年的一个类似的时候为了避免温度连续测试之间的差异可能会引入额外的振动特性变化(31日]。

实验测试程序由测量梁的初始动态属性,然后逐步诱导一系列新的损伤状态和测量动态属性与每一个新的状态。基线动态签名为特定损害国家拍摄,测量前的损伤状态。定义良好的“剥落”被诱导到梁的损害身体移除小广场的混凝土块,毫米在计划和30毫米深,从顶部甲板表面,如图3。这样做是逐步在十二位置如图4,损害国家按照编号顺序介绍。12例代表各种各样的纵向和横向位置测试的损伤定位能力VBDD技术的大范围可能的损伤位置。每个增量破坏状态与当地的抗弯刚度的降低大约2.5%。

常见的损坏形式经历了这种类型的结构部件包括局部腐蚀、表面剥落、磨损表面的磨损。类型的损伤诱导实验被认为是代表任何形式的损害,导致局部抗弯刚度的降低。因此,研究结果不应该被认为是有限的特定类型的损伤。

液压振动器,如图2(一个)是直接固定梁的上表面和用于诱导动态激励。瓶是使用虚拟仪器软件生成的信号(32一台个人计算机上实现。正如上面提到的,没有衡量的激发力量。

使用两种不同类型的动态响应测量传感器:加速度计和应变仪。数据获得使用12位数据采集系统(1001年国家仪器SCXI,虚拟仪器6我)。单轴加速度计(EpiSensor ES-U, Kinemetrics Inc .,帕萨迪纳市,CA)被配置为±0.5 g的最大射程和精度为0.00025 g和面向测量垂直加速度。六加速度计是连着梁的顶面,第一次在另一边,在均匀间隔的纵向间隔1.7米的,显示在图4。垂直位移在每一个加速度计的位置是通过集成加速度信号获得两次获得速度和位移,结合适当的数字滤波器在每个阶段去除基线漂移。严格来说,加速度信号可以直接使用,无需转换为位移,因为两个信号的振幅是在任何给定的频率成比例。然而在实践中,随着时间的推移,数值积分和额外的过滤,采用减弱噪声的信号,从而导致更多的可重复的固有频率和振型。每个位移时间序列然后使用Parzen窗口缩放功能(33),以减少泄漏之前应用快速傅里叶变换(FFT)得到的傅里叶谱响应振幅。

应变仪的使用允许的性能比较VBDD技术利用两组数据的传感器。电阻箔应变仪(模型pl - 90 - 11,东京Sokki Kenkjujo有限公司有限公司、日本)和一个90毫米计量长度和120欧姆电阻连着垂直边梁的表面垂直对齐三组,面向测量纵向应变,同时六纵向位置用于加速器以及每一方(见图4)。在现场应用中,侧脸不会访问post-construction仪表的应用,自从梁放置立即彼此相邻。然而,仪表可以安装在控制条件下预制工厂前梁的位置。通过垂直截面应变概要文件在每个位置是通过拟合最小二乘回归直线穿过三个个人应变测量数据在每一个瞬间。这个线性概要文件被用来计算弯曲曲率在每个位置。再次Parzen窗口函数应用到curvature-time系列减少泄漏,和一个FFT被用来获取光谱数据的曲率。基本模式曲率测量点被用来计算曲率向量的变化,”节中描述4使用振型曲率法。的中间值”使用贝塞尔插值生成技术测量点之间(34]。

固有频率被确定的平均十均方根(rms)归一化频率响应谱。这些从测试中数据获取的速度是每秒150个样本的220秒,而瓶白噪声激励的梁。固有频率被确定后,谐振谐波激励应用在每一个序列确定固有频率的精确测量相应的模式形状。在这个过程中,每组数据的收购以每秒300个样本21秒。十模式形状测量的平均值用于后续损伤检测算法。只有基本模式用于损伤检测实验,第一个四个模式被用于校准的下面描述的有限元(FE)模型。

3所示。数值模拟

梁的有限元(FE)模型准备和校准匹配实验测量动态属性,调查的目的与几个因素的影响,不能轻易VBDD技术性能的实验研究。这些因素包括计量点的数量和使用模式,以及更大范围的损伤位置。商业有限元分析软件包ANSYS [35)是用于执行时梁的特征值分析受到损害的几个州以生成系统的固有频率和振型,在这些不同的状态。梁被分为8-node三维等参的砖元素。总共有84个元素使用纵向(包括两个元素之外的支持两端模型最终板),在顶部和底部法兰横向分成24个元素,和两个(底板)或三个(顶板)元素通过厚度。垂直纵网被分成五个元素通过厚度和两个元素,并使用线性桁架预应力肌腱被模仿的元素。

边界条件施加在四个支持节点,每个位置结束的150毫米和50毫米,抑制运动在垂直方向。此外,这些节点之一是限制在纵向和横向的方向,在纵向方向,第二个和第三个横向方向,防止系统的刚体运动。弹性和部分物理组件的属性作为模型参数。

的模型校准的四个最低固有频率和振型的物理系统通过调整值用于混凝土杨氏模量。表1表明,除了第三(扭转)模式,良好的预测和实测固有频率之间的协议是实现;此外,模态保证标准(MAC)值(36)比较前四测量和计算模式的形状都很出色。另一项研究发现,扭转模式支持条件的微小差异非常敏感。这些差异不能被消除,因为它是不可能调整的完美支持,使梁的重量也同样分配到四个支持。好协议否则说明模型可以依靠提供相当好的估计VBDD性能的方法。

一旦模型校准,损伤梁模拟通过消除三个横向相邻元素从梁的上表面,导致的一个地区长149毫米,宽150毫米,30毫米层大小类似于实验研究。总共40模拟损伤病例。这些,破坏的横向位置仍然集中0.225从梁的一端,而中央纵向位置移除元素的变化从0.074到5.876 m相对于支持每隔0.149米(见图4)。

为了模拟测量数据的采集有限数量的传感器连接到一个物理系统,垂直FE-generated特征向量的模态位移提取少量的均匀间隔的“测量”沿着梁的纵向边缘点。有人指出模拟测量的位置沿梁边缘点匹配是什么做的实验,这一安排,使扭转模式的识别。评估测量点数的影响是通过调查三种情况:一个7点测量,测量一个15分被使用,和一个定义良好的参考案例79计量点。在每种情况下,测量点均匀分布在梁的长度。应该注意的是,最小的测量点数不匹配使用的六个实验;如上所述,梁被分为80个元素沿跨度(11.9米),以适应所需的损失大小,这是兼容7均匀间隔的测量点,但不是6。

不管模拟测量点数,模态位移向量用于计算所有包含81组件,包括零在每个支持的组件。当使用模拟测量7到15点,测量之间的额外组件点内插如以下部分所述。澄清,当七模拟测量分被使用,九点模态位移测量每一对相邻点之间的中间点插值,而当使用模拟测量15点,在四个中间点被插入模态位移。这项研究的重点是在损伤检测技术的性能只使用基本模式,使用前三个弯曲模式也调查确定的数量的影响模式认为VBDD性能的方法。

为了建立数值计算和证明的有效性研究的扩展更多的损害情况下使用有限元模拟,数值和实验结果的比较具有代表性的伤害案件提出了附录一个。

4所示。损伤检测方法

五个最常见的可用VBDD技术在文献中被应用。其中包括模式形状的变化(CMS)方法(37),振型曲率(MSC)的方法(15),灵活性(CF)方法的变化(17[],损伤指数(DI)方法38),而统一的灵活性曲率的变化(CUFC)方法(28]。其中,MSC, DI, CUFC方法都使用模式计算形状curvatures-produced几乎相同的结果。因为这个原因,为了简便起见,DI方法被选为代表的三种方法,结果没有提供其他两种curvature-based方法。例外是MSC方法获得的结果使用曲率测量直接使用系统的应变仪节5.2。应该注意的是,所有的调查方法只基于测量数据,不需要使用数值模型。这被认为是一个重要的功能的方法,几乎可以应用于大量的短期和中期跨度桥梁,为有限元模型的制备通常是毫无根据的。

每个技术应用于本研究利用基线测量模式形状的结构和破坏条件,指定的模态振幅矢量和,分别。在目前的研究中,这些向量与纵向模态振幅均匀分布测量的定义在一个相对较小的数量点沿梁,辅以额外插入模态振幅测量点之间。由于规模的模式形状是任意定义,模式形状向量必须规范化的一个共同的基础,从而减少受损和损伤模式形状之间的差异在平均意义上强调局部变化引起的损害。向量是因此拥有一个单位规范扩展(例如,)。实际上,这种方法可能被视为等同于质量标准正交化假设均匀分布的质量。这种假设时特别合理的结构是一个移动受弯构件定义模态振幅均匀分布点跨度的长度,为当前的情况调查。

配方的VBDD技术提供了详细的形式在文献中引用,但这里简要总结。

4.1。变化模式形状方法(CMS)

模式的改变形状向量,是通过计算受损和损伤模式形状简单的区别 的绝对值符号表明评价向量的每个组件的绝对值。

4.2。振型曲率法(MSC)

MSC方法考虑模态曲率的增加造成的伤害: ' '的符号表示第二个空间导数和下标吗我指的是th模式。绝对值的评价是进行向量的每个组件。如果使用多个模式,不同曲率的总和可能雇佣作为损伤指标,作为表达的 在哪里n使用的模式数量。

4.3。变化的灵活性方法(CF)

按原配方(17],CF方法需要估计的弹性矩阵的和受损的结构,和分别从一个或多个低振动模式如下 在这ω_我的角频率是吗我th模式和n是测量模式的数量。柔度矩阵的变化,然后计算 的参数的最大元素的绝对值在列jΔ的F是作为一个衡量的变化灵活点j的结构。的最大变化的灵活性提供了一个指示损伤的位置。

4.4。修改的变化灵活方法(MCF)。

在目前的研究中,略微修改CF方法的基础上,提出了物理参数。自列j的柔度矩阵表示的挠曲形状结构应用于单位荷载时的位置j,灵活的改变位置的伤害应该积极的自偏转单位荷载下在这个位置应该增加当损伤造成的。因此,建议的最大正值元素列j作为损伤指标,而不是绝对值的最大值。修改后的方法观察改善性能的方法,特别是当实验数据。附录B比较柔度法的变化产生的分布在原始的和修改的形式代表损伤情况。

4.5。伤害指数法(DI)

DI方法基于局部模态应变能的变化。在离散形式,该指数将以下表格 在这对应于模态曲率向量的元素为th模式。如果使用多个模式,单一指标为每一个位置,j,是由 指数是规范化的考虑这是一个正态分布的随机变量 在哪里_β和σ_β损伤指数的平均值和标准偏差,分别。伤害指数下降两个或两个以上的标准偏离均值(例如,)被定义为被指示可能的损伤位置。

为了进一步澄清方法的实现,应该注意到,curvature-based方法(DI, MSC, CUFC)需要模态曲率度量点的估计。最初模态振幅矢量对应的元素值定义在一个相对较小的测量点数。为了生成一个足够明确的位移概要文件要求便于更准确的估算曲率,位移概要文件之间高达9分每一对相邻传感器位置估计使用自然三次样条插值方案,执行连续的二阶导数测量点和一百零二导数的简单的支持。类似的方法已在文献中报道(20.,39,40]。模态曲率被显式地从生成的样条方程获得MSC和DI使用方法。虽然插值是严格不需要应用MCF和CMS方法,它的使用不存在损害的表现方法,可以提高定位能力,允许预测损伤位置测量隔点。因此,相同的形状插值模式用于所有VBDD方法。

5。结果与讨论

5.1。只使用少量的测量性能点

5.1.1。典型VBDD参数分布

VBDD的分布参数计算实验破坏案例4提供了图5中,加速度计的位置由垂直网格线表示。促进所有分布在一个共同的阴谋,所有参数都被标准化的方式类似于DI使用的方法;也就是说, 在哪里代表了在位置归一化参数我,是一个非规范VBDD参数(即。CMS和MCF)。在这个位置,是均值参数值的位置沿梁长度,然后呢参数值的标准偏差。

在图所示的分布5是典型的产生损伤病例,位于大约在中间三分之二的跨度。在这些情况下,一个清晰的最大峰值是在或接近相同的位置的方法,这与两个计量点相邻的损伤位置,虽然不一定是最近的一个。此外,它是指出,DI方法产生室内测点之间的分段线性分布,这是一个三次样条插值的结果过程用于估算曲率值测量分之间。因此,curvature-based方法仅能产生峰值计量点。

5.1.2中。邻近效应的损害一个支持

分布与序列相关的损伤位置从左到右(东向西)沿梁如图6。很明显,分布与附近的支持损害情况下(11例、10和3)特征,明确区分他们从其他损坏情况。根据方法应用这些特征不同。CMS方法,分布在损伤情况下支持了多个起伏,最高峰是位于附近的损害。MCF方法,两个重要的山峰类似规模的生产。越高的两个山峰并不总是一个最接近损坏(如例3),但其中一个峰值附近的损失而没有位于附近的山峰相反的支持。附近的迪方法,支持损害情况下出现多个峰,其中最著名的不是附近的损失。因此,DI方法无法找到附近的支持损害情况下,预测损伤位置错误时损伤是附近的支持。

当伤害稍微远离support-generally第一测量a点清楚,主导峰是由所有VBDD指标,如见,例如,与破坏情况2,位于2.55从西方(右)的支持。这个特性的特征分布由所有non-near支持损伤病例。另一方面,损伤情况下10位于相同的距离(2.55米)从东(左)的支持,而且还出现不久的支持刚刚描述的特征。损伤6例,然而,仅略远(3.0米)从东(左)的支持,产生一个占主导地位的峰值的方法。这表明支持条件的微小差异影响的附近支持长度分布的是多个峰值。在这个特殊的研究中,是不可能分配梁的重量均匀地在四个角落简单支持,使支持条件略有不同的四个位置的支持。

上面的讨论表明,损害附近的支持是更具挑战性的确定由于VBDD分布中的多个峰值的出现。然而,以下结果一直观察到:当多个山峰CMS和MCF方法产生的,当三个VBDD参数最大峰值的位置不同,损坏是靠近一个支持。在这些情况下,MCF方法一致表示的支持损害躺靠近,和CMS方法总是产生最大峰值附近的损伤位置,即使其他山峰。因此,CMS方法最可靠的方法当附近的本地化支持损害案件调查。然而,同时应用其他方法可以提供一个添加水平的信心预测损伤位置,尤其是区分附近的支持损害别人的情况下。

5.1.3。定位精度

每个方法的性能的损伤位置的识别能力,总结在图7,阴谋破坏的预测与实际位置对所有12个实验损伤40例和所有数值损伤病例。在这些数据,标记网格线对应于实验测量点位置,而额外点缀网格线对应数值测量分。此外,不同的符号被用来区分预测,对应于一个明显的峰值的分布与第二个峰值至少75%的第一次的大小也发生。当第二大高峰出现接近损坏的位置,绘制的峰值预测位置。在某些情况下,峰值靠近发生破坏的位置没有达到75%的门槛。在这些情况下,第二个峰值的高度相对于第一个是作为一个百分比值提供相应的数据点。

比较三种方法的性能图所示7显然,CMS方法最一致的定位没有歧义的损害。这种方法(图的数值定位预测7(一)比实验)也更准确的预测。后一种结果是可以预期的,因为数字数据是免费的从所有实验数据所固有的不确定性的风险。MCF方法(图7 (b)附近)倾向于产生模棱两可的结果支持损伤病例。这些歧义产生大致相同的第二个峰值大小出现远离支持。图7 (c)清楚地表明,DI方法才能够预测损伤是位于测量点,实验和数值。

数据7(一)和7 (b)还表明,使用插值估计模态位移测量点之间允许CMS和MCF方法预测损伤位置测量点之间。在CMS方法,插值允许损伤更准确的定位更广泛的损伤位置数值模拟数据时使用。因此插值是明智的使用甚至在没有特别要求的情况下估算曲率。它也表明,进一步受益可能来源于插值技术的识别,最好能够繁殖模式形状从一个小数量的已知值。

对比各种方法的预测能力可能被指在可量化的术语表2列出了最大和平均错误产生的每个方法,规范化的间距测量点,以及标准差的错误,这里提供视为变化的预测。也列出的百分比情况下导致一些模棱两可的结果,正如前面定义的。值对应表中的数值结果计算只考虑损伤情况下除了第一个计量点的支持,因为结果如图7表明,损伤情况下接近支持需要特殊考虑。

性能优越的CMS方法相对于其他程序表中一览无遗2。根据数值结果,损坏的位置预测的最大误差CMS方法是0.25,平均误差为0.12。这个结果明显优于其他方法。优势减少,然而,当实验数据被认为是,所有方法产生最大错误的0.82和平均误差接近0.35。然而,有一个例外,CMS方法总是产生一个清晰的最大峰值位置附近的损伤,因而阻碍了可能性的不确定性对预测损伤位置。

结果呈现在图7和表2分析师认为,在没有任何先验知识的损伤位置将成功地本地化损伤通过询问区域在0.82两侧的位置预测当一个明确的峰值出现在VBDD参数分布。正如前面所讨论的,如果出现类似规模的多个峰值,在这种情况下,VBDD参数最大峰值的位置可能不同,造成的损害将附近的支持,和CMS方法可用于本地化。在这种情况下,询问一个地区在大约1.5本地化支持将成功的损失。

基于这些结果,得出结论,是安全的使用相对较少的测量指向描述的基本模式形状是足以检测和定位低强度破坏的合理水平精度为简支射线结构。

5.2。使用集群应变仪直接测量曲率

曲率使用垂直对齐的直接测量应变仪集群提供了大量的潜在优势使用加速度计应用模式时形状曲率法。这些包括降低仪器成本和增加促成永久安装的仪表。促进这两种方法的比较,MSC分布三个代表损坏情况如图8,为了增加距离的支持。分布由加速度计数据比例的最大值,这样两个分布在每个图都是相同的。

作为典型的附近支持损害的情况下,图8(一个)展示了实验的分布损伤7例,距东2.0(左)的支持。大负峰观察损伤位置附近的这个数字不应该被视为一个可能的损伤指标,因为这将意味着一个地方减少刚度导致减少曲率在这个位置,这将与梁理论。对于损伤情况,然后,应变计的方法相比,基于加速度计的方式表现很糟糕,导致误导分布会导致人们相信损伤实际上是靠近相反的支持。类似的结果是意识到损害案件11(没有显示),位于1.0相同的支持,虽然负峰没有在这种情况下。

图8 (b)6显示了损坏情况下的分布,位于3.0从东(左)的支持,并可能被认为是代表以外的损害的情况下支持附近地区。在这种情况下,两种方法产生了非常相似的分布,预测损伤位于相同的位置。七12损坏的情况下属于这一类别。损坏情况3包含在这个群体,虽然它是位于从西方只有1.6(右)支持(接近一个支持比损伤7例,如图8(一个))。这也进一步支持论点支持条件有影响的支持附近距离分布变得更加难以解释。不支持条件似乎也影响这两种方法有点不同。而产生的加速度计方法多个峰值附近的支持损害情况下,其中一个是典型的损伤附近,分布产生的应变计的方法最重要的山峰在位于距离一些损害。

在两种情况下(损伤情况下4和5)的损坏是位于测量两点之间找到平衡,这两种方法产生的最大峰值出现在两端的伤害,见图8 (c)。这样的结果可能是有利的,如果同时使用两个工具计划,因为这将缩小预测损伤位置躺在两座山峰之间。

预测和实际之间的相关性对所有实验两种方法产生的损伤位置损坏情况如图9。两种方法的性能通常被看作是类似的,除了支持损害附近的两个病例7和11,应变计的方法产生了错误的结果。如果省略这两种情况,应变计的方法导致最大和平均定位误差为0.50和0.30MSC分别,这是一个改进方法使用加速度计方法(0.82和0.37,分别地。,我dentical to the DI method listed in Table2)。然而,应变计的方法似乎更容易产生错误或附近的模棱两可的结果支持损伤情况下,也许是因为附近的低信噪比简单的支持和可怜的座位在支持的可能性。因此,MSC方法使用应变计的数据可以用来补充其他方法,它不应该依赖作为一个独立的方法。

5.3。计量点的数量的影响

图10比较VBDD参数分布获得使用越来越多的有限元模拟测量点定义的基本模式形状数值的伤害情况下24(损害从支持位于3.50米,如图4)。随着测量点数的增加,更多的不同和窄峰产生,尤其是DI方法;此外,山峰是位于靠近损伤位置。因此提高预测能力是通过使用大量的计量点。

类似的趋势时观察到的损坏是位于靠近一个支持,如图11(对应数值损伤7例,从支持位于0.97米)。在这种情况下,增加测量的数量分有效地移除额外的山峰DI方法时产生的少量的点。然而,第二个广泛驼峰MCF产生的方法不受增加测量点的数量。这第二个驼峰因此不是的直接结果的使用数量的计量点不足。事实上,它可以证明,这个特性的特点是低水平的MCF方法破坏附近的支持。这表明,沿梁挠度最大值增加引起的诱导损伤附近的支持是大致相同的单位荷载是否应用在损伤位置或在跨中附近。

性能测量使用15和79点更一般的如图12,预测和实际损害的位置之间的相关性是CMS和DI方法绘制。MCF方法产生的结果类似于CMS方法,尽管附近的模棱两可的更大支持。定位精度的改善越来越多的测量分显然是明显的,非常明确的模式形状允许局部损伤的准确性,不管所使用的方法。尽管实现实验系统来实现这种级别的定义可能是不切实际的,优秀的性能数据中观察到12 (c)和12 (d)证实了理论基础的稳固性VBDD简单支撑射线组件及其适用性。

最大和平均误差产生的所有方法,测量点间距,规范化的总结表3。相对而言,这些结果是非常类似的测量通过使用七分,表中列出2。定位精度是直接测量点间距成正比,,最大误差在0.5的顺序通常在0.20和平均错误和0.26当测量7到15分。CMS方法表现更好,但是,就像前面所提到的,这个改进实验数据时没有被观察到。

5.4。使用额外的模式

尽管性能优良的技术只使用基本模式,也许期望改善空间很小,包括额外的模式的影响也被调查。从概念上讲,使用额外的模式可能会提高VBDD方法的性能由于提供的附加信息是,更高的弯曲模式应该对局部刚度的变化更加敏感。调查这一假说,前三个铁生成的弯曲模式(模式1、2和4表1)被纳入了方法。

CMS首次单独计算每个模式。图(13日)显示了数值结果分布损伤24例,从支持位于3.50米,7点测量时使用。当一起检查,三组分布的位置提供了一个明确的迹象,说明损伤。每个分布特征峰值附近的损伤位置,虽然未必是积极的(模式2)或最高峰值(模式3)。后者被当困难模式定义的形状更大数量的计量点(图13 (b)),但一个重要的第二高峰仍在第三的变化模式的形状。此外,产生的峰值的大小不同的模式显著不同。

为了合并这三个个体模式形状变化成一个单一的分布代表所有三种模式的形状的变化,每个分布的绝对值第一次计算,结果被其归一化均方根(rms)值去除的影响大小差异,然后添加了三个分布在一起。提出了这种方法的结果与其他VBDD方法在接下来的段落,重点测量结果通过使用七分。

图14显示了三种方法如何分布发生了变化,随着越来越多的模式。此图对应数值的伤害案件24和七个计量点的使用。很少的变化清晰或损伤定位的准确性是观察到的模式的数量增加,虽然有人会说,一些清晰与CMS明显改善方法(图(14日))。类似的结果观察附近的支持损害情况。唯一改善的意义发生在附近的MCF方法用于支持损害情况下(见图(15日))。在这些情况下,造成的歧义的发生第二大高峰时被更高的模式被认为是。有趣的是,这种改善并不显著的模式形状更明确的使用时测量15点,见图15 (b),这意味着人工测量改进了七分。

方法更广泛的性能随着模式数量的增加表所示4,其中最大和平均定位误差40列出数值的伤害情况下,随着比例的情况下导致一些模棱两可,7点测量时使用。考虑定位精度和模棱两可的数量生产,内部比较表4和表2表明,要么没有改进实现增加数量的模式,或者导致性能下降。唯一的例外,这一趋势与MCF观察方法,显示在这两个标准的改进。特别是,增加模式影响的数量减少歧义MCF方法观察到附近的支持损害情况。DI方法的性能的下降被认为主要是与伤害有关一个特定的情况下一个节点附近的点模式的形状。类似的下降没有观察到另外两个curvature-based方法(MSC和CUFC方法)。

表5提供了一个指示的性能随着模式数量的增加15点测量用于定义模式时的形状。对比表3表明,使用两个或三个模式产生没有改善或性能下降相对于只使用基本模式。对比表4表明,相对而言,使用15分结合两个或三个模式产生边际本地化改进只对DI方法,测量相比,七分。减少观察其他两种方法,虽然本地化还观察到或多或少与计量点之间的间距成正比。

因此,任何改进与更高的模式是最小的使用和限制在只有一个方法。性能下降也被观察到。这些结果并不令人感到意外。性能优良的VBDD方法当只使用基本模式几乎没有改进的余地,考虑到理论方法的局限性。虽然这里不考虑,还应该指出,在实践中,测量高模式通常是受低信噪比,由于模态振幅往往减少较高的模式,使用更高的模式导致额外的抑制作用。总结,最小的效益和增加不确定性与更高的使用模式提供了一个令人信服的论点赞成只使用基本模式应用VBDD方法时考虑在这个研究。

5.5。总结

表6总结了这项研究的结果,突出的影响因素调查。CMS方法,应用只使用基本测量模式和相对较少的点,似乎是最具吸引力的选择。

6。结论

本研究表明,表面损伤全面预制,预应力混凝土箱形梁,对应于当地减少刚度仅为2.5%,可以检测到使用VBDD技术和局部区域内大约1.6倍纵向间距均匀分布的传感器,。这是通过使用前后的数据仅为基本模式的形状破坏,由只有六个等间距的测量分。相反的清晰和明确的山峰一般观察VBDD分布位置附近的损伤,损伤情况下位于接近支持导致VBDD分布有多个峰值和起伏。在这些情况下,可以局部损伤区域内大约1.5的支持,尽管这“支持”附近地区在某种程度上取决于支持条件。

尽管任何VBDD方法认为被证明是能够检测和本地化的大部分损害案件调查,CMS方法提供了最明显的迹象损伤在广泛的损伤位置,尤其是附近的支持损害情况。CF方法,从原来的配方略有修改为提高性能,在其附近的支持不太清楚损伤病例。DI方法(以及其他两个curvature-based方法)往往会产生一些模棱两可的损坏的迹象。结果表明,同时使用几种VBDD方法可以提供额外的自信程度当本地化的损害,但CMS是最可靠的方法。

相比使用加速度计安装在梁的上表面,应用MSC方法使用数据从应变仪集群配置为直接测量曲率发现执行略好,只要伤害并不位于太近(例如,在大约1.5的支持的支持)。在这些情况下,非常误导有时预测结果。因此,使用应变计数据本身是一个不那么有吸引力的选择。

损伤定位的准确性直接与测量点之间的间距成正比。增加测量点的数量会因此导致比例提高定位精度。所有VBDD方法调查被发现是非常有效地确定损伤的位置模式非常明确的形状与大量的计量点。尽管挑战与实现这种级别的模式形状定义在实践中,这一结果证实VBDD理论的合理性及其对损伤定位的有效性。

两个附加的弯曲模式的使用,除了基本的振动模式,没有普遍提高VBDD技术的性能研究。唯一的优势似乎消除歧义当附近的MCF方法用于支持损害情况。对于其他VBDD方法,使用两个额外的模式导致要么没有改善,或性能下降。只有基本的使用模式是因此被认为是足够的对于损伤定位。

这项研究表明,VBDD方法有效地检测和本地化损害全面射线桥元素,如预制、预应力混凝土箱梁,使用数据,可以获得相对容易只使用少量的传感器和振动的基本模式。鉴于大部分这些元素通常无法访问其他单孔位微吹气扰动技术检验,VBDD方法似乎特别有吸引力的早期检测损伤。

附录

数值模拟的验证

为了建立数值计算和证明的有效性研究的扩展更多的损害情况下使用有限元模拟,数值和实验结果的比较具有代表性的伤害案件提出了这里。图16显示VBDD分布实验损伤病例6从支持(3.0米)和数值的伤害案件21从支持(3.05米)。应该召回,6点均匀分布测量实验使用,而使用了七个数字,所以相同的结果不应预期。实验测量位置所示虚线标记网格线,而数值测量点额外的虚线网格线所示。之间的相似性产生的分布显然是明显的对所有VBDD方法,每一对的分布具有类似的特征和峰值发生在测量点最近的损伤位置。使用有限元模拟研究更广泛的损伤分布情况下,因此可以证明是有道理的。

b .灵活性方法的变化比较原始和修改的形式

比较弹性的变化产生的分布方法原始和修改表单,图17介绍了两个分布产生实验损伤5例(中间三分之一的跨度内)和11(1米内支持)。看到,原来和修改分布是相同的,除了在虚线,原方法拿起负面变化的绝对值灵活性产生额外的山峰。这些额外的峰总是位于远离伤害最重要的峰值比常见的分布;此外,一些额外的山峰在大小也更高。因此,一个额外的不确定性考虑引入的绝对值,使分布更难以解释。

图18说明了由此产生的两种方法的定位性能全部12个实验损伤病例。很明显,修改后的方法去除一些模棱两可(例5、9和11),提高了预测的准确性位置(例3)。因此修改后的方法用于当前的研究。不过,值得注意的是,这两种方法之间的差异只是明显的实验数据时使用。数值生成的数据总是导致弹性矩阵的变化,只包含积极的价值观,理论上预期。

确认

伊希斯的金融支持加拿大卓越中心的网络和加拿大自然科学和工程研究委员会。作者也感谢萨斯喀彻温省的高速公路和基础设施提供梁。