文摘

本文提出一种多级多通道的方法来识别损伤的位置连续桥梁响应的粗糙路面上的车辆移动的桥。车辆在桥上运行几次在不同车辆的速度和相应的反应。垂直加速度的车辆运行在完好,损坏桥梁用于识别。多级损伤检测方法由基于模态应变能的实现方法和遗传算法。基于模态应变能的计算方法估计位置的损害损害指标的频率从车辆中提取完整的反应和破坏状态的桥。在第二阶段,识别问题转化为一个全局优化问题,解决了遗传算法技术。对于每一个通过的车辆,该方法可以识别损伤的位置,直到确定可接受的精度。双跨度连续桥是用来验证方法。数值结果表明,该方法可以识别损伤的位置相当不错。

1。介绍

桥梁结构的安全是非常重要的经济发展的国家,所以它是非常重要的,以确保良好的桥梁。各种损伤诊断技术也已经被开发出来,以满足这种需求(1,2]。航空航天和海洋石油行业进行了早期损伤检测自1970年代末和1980年代,分别,在土木工程社区,结构健康监测是一个比较活跃的领域目前的研究(3]。记录的振动结构,提取模态特性,然后识别造成的损失的变化它们之间的结构属性是最受欢迎的方法(4]。这是基于假设通常测量模态参数(特别是频率,模态和模态阻尼)是结构的物理性质的函数(质量、阻尼和刚度)。因此,物理性质的变化,如减少刚度造成的裂缝或松动的连接,将导致检测到这些模态性质的变化。模态的变化属性或属性源自这些量作为损伤指标(1]。前最重要的一个问题是依赖分析模型和/或之前测试数据对损伤的检测和位置1]。损伤检测方法在时域可以一定程度上解决这个问题。时域方法已成为近年来更受欢迎(检查的非平稳信号5]。短时傅里叶变换方法,总时间间隔分为短时间间隔的快速傅里叶变换应用到每个时间间隔。这段时间窗口的方法缩小了时间间隔破坏所在地(6]。然而,不确定性原理的约束限制获得决议,促使中出现的另一种方法称为小波变换的多分辨率分析(7]。小波变换可以适应窗户,这就是为什么它也被称为数学显微镜。这个属性使它一种适当的方法来检测损伤的响应(8]。有几种其他方法用于损伤检测。遗传算法,其中一个是修改用于这项研究。遗传算法(气),最初由荷兰、搜索算法是基于自然选择和自然遗传机制(9]。天然气是不同于传统的优化程序在四个方面:(一)气体处理参数集的编码,但不是自己的参数;(b)气体搜索从人口的点,而不是单点;(c)天然气使用目标函数信息而不是衍生品或其他辅助知识;和(d)气体使用概率转换规则,而不是确定性规则(10]。由于结构损伤检测可以转化为优化问题,气体可以用来进行损伤诊断。

上述方法确定的条件通过收购桥桥梁响应通过将传感器在桥上。还可以检测的条件桥把过往的车辆上的传感器。使用车辆识别损伤反应具有一定的优势将传感器在桥上。首先,汽车传感器和激励器。更方便,因为它使关闭桥更短甚至是不必要的。其次,它也并不是非常受到损伤的位置和分布的传感器,因为车辆运行,检测整个桥。杨等人提取桥频率从一个移动的车辆11- - - - - -13]。灵感来自于这项工作,布鲁里溃疡等人提出了一个损坏的检测方法基于动态响应的灵敏度分析和正则化技术(5]。阮和Tran14)小波变换应用于位移移动车辆的历史。Zhang et al。15]模式形状广场从响应中提取并进行了损伤检测。以上工作没有考虑桥的粗糙度,这将是一个非常重要的因素影响车辆的振动。作者以前基于模态应变能的损伤检测方法应用于分析车辆的响应(16),提出了两种可能的位置的损伤。这是由于frequency-based损伤检测方法的限制17]。作者还使用小波变换进行了损伤检测车辆的响应(18]。本文将考虑粗糙度的影响在登车桥相互作用系统的损伤识别。这个策略是基于模态应变能法和遗传算法的结合技术。基于模态应变能方法可以缩小GA算法的搜索空间,节省计算时间和提高得到正确的解决方案的机会。

2。登车桥相互作用系统

图1显示了一个典型的素描登车桥相互作用系统。它包含一个连续的桥梁和车辆运行在一个恒定的速度。这座桥是使用有限元建模的方法和车辆建模为系统质-弹。车辆模型包含五个参数。身体是由一个集中质量模拟,弹簧刚度和阻尼器。使用一个集中质量模拟车轮和刚度弹簧连接车轮和路面。

2.1。运动方程

当车辆从桥的一端到另一端以恒定速度、桥梁和车辆将垂直振动。一个向量是用来表示一系列节点的垂直位移在桥的有限元模型。其对时间的一阶和二阶导数,也就是说,和分别是对应的节点的垂直速度和加速度。这些符号和表示车轮和车身的垂直位移,分别。当他们接触力的相互作用,车辆的振动是影响桥梁的振动,反之亦然。这是一个耦合振动系统。假设汽车的质量相比是微不足道的桥。运动的控制方程推导出表示为使用完全由电脑控制的方法 在哪里飞机的垂直位移;和相应的速度和加速度;和桥的质量和刚度矩阵是通过有限元方法,分别;桥的阻尼矩阵建模使用瑞利阻尼,在那里和阻尼因素; 分别是质量、阻尼和刚度矩阵的车辆模型;,,,耦合阻尼和刚度矩阵;和和是外部负载添加到桥梁和车辆,分别由于重力,表面粗糙度,等等。方程(1)可以解决使用纽马克-方法,威尔逊-方法,或类似的计算车辆和桥梁的响应。

2.2。建模的粗糙度

桥的随机路面粗糙度可以被描述为一种零均值,实值和平稳高斯过程(19] 在哪里 在这和分别是上下截止频率空间。功率谱密度函数可以表达的空间频率路的表面粗糙度 在哪里是一个光谱粗糙度系数的值确定基于路面条件的分类根据ISO规范(20.]。

的接触力车辆和桥梁可以写成 上述方程意味着粗糙度和对应点的垂直位移影响接触力以类似的方式。如果粗糙度的高度明显比桥的位移的价值,粗糙度控制接触力。识别的信息桥,桥的反应应该至少与粗糙度。

2.3。测量噪声

测量噪声也应该被认为是使模拟更接近现实。损伤检测进行假设信号是受污染的5%白噪声所示 在哪里是车辆和模拟测量响应是一个正态分布随机阵列与零均值和方差单位。测量噪声影响响应和识别,但其影响比粗糙的小得多。

3所示。多级多通道的损伤检测方法

该方法包含两个阶段,基于模态应变能法和改进的遗传算法的方法。在第一阶段,基于模态应变能方法简单和快速的大致估计损伤的位置,以缩小搜索域的第二阶段。车辆可以在桥上运行几次,得到的一系列反应。使用多个通行证,因为不同的车辆和速度的属性将激发桥略有不同,这将有助于保证识别的正确性。

3.1。基于模态应变能方法

几个模态属性为基础方法开发损伤检测。基于模态应变能方法被选中,因为它是非常有效的,可以估计损伤的位置如果受损结构的频率是可用的(21- - - - - -23]。完整的桥,最初几个模式的形状可以通过有限元方法模拟或通过实地测试。如果质量的改变是被忽视的,分数的变化由于损伤是由特征值 在哪里是圆频率,对应的频率,星号表示的损伤状态。

的参数结构系统元素和节点,损害可能预测的灵敏度方程 在这的分数降低刚度是吗th元素和模态能量的一部分或灵敏度集中在th模式th元素,的话,是 在哪里二阶导数的吗th模式桥的形状;和弹性模量和惯性矩的桥,分别;和和的坐标吗th和(左和右)th节点的节点分别th元素。在实践中,只有有限的节点点模态振幅是可用的。通过使用样条插值函数和模态振幅值的元素模式形状的有限元模型,可以生成功能这是很有必要的。

对于任何两种模式和,可以获得敏感的比例计算(9), 假设破坏只发生在元素,然后当,但当。相关的关系th和特征值可以建立 如果测量模式(12)可以扩展到 基于上述方程,一个错误索引可以开发为 在哪里特别指出,位于的损害th元素使用模态信息。占所有可用的模式,可以形成一个单一的损伤指标届会员 位于元素的损害如果方法局部最大值点。已经确认,可以检测到损伤如果道路被认为是光滑的表面(16]。

3.2。经验模态分解

frequency-based方法,从车辆中提取频率响应是很重要的。帮助确定频率准确,使用一些信号处理技术,包括常用的过滤技术和经验模态分解(EMD)提出的黄等。24]。使用EMD将信号分解成一系列的固有模式函数(货币)。给定一组测量数据,EMD算法,其特点是筛选过程,简述如下。(一)识别所有数据的最大值和最小值X (t),然后计算出相应的三次样条曲线插值信号。这些信号是信号的上、下信封。所有的极值都应该包含在这两个信封。让表示的意思是上下信封。数据和均值之间的差异是 (b)理想情况下,应该是第一个国际货币基金组织的组件。如果不满足国际货币基金组织的要求(24),把它作为原始数据,重复第一步,直到满足要求。第一个获得被指定为国际货币基金组织(IMF)组件。(c)通过减去从原始数据,获得残渣作为 (d)重复以上筛选过程获得下一个货币基金。一旦获得国际货币基金组织,将它从信号,直到满足预定的标准:当组件或残留变得太小,身体有意义的或残留物成为一个单调函数不可以提取更多的国际货币基金组织(IMF)。因此,数据分解为

因此,数据的分解- - - - - -经验模式。这个过程确实是像筛选:先单独的最好的本地模式的数据仅基于特征时间尺度。筛选的过程,然而,有两个效果:消除骑波(a)和(b)光滑振幅不均匀。应用快速傅里叶变换,这些货币,很容易提取更高的频率。

3.3。改进遗传算法

损伤检测可以转化为一个优化问题。元素刚度和粗糙度参数可视为未知数。假设桥没有伤害的属性是已知的。目标函数可以设置为响应之间的差异在桥上运行的车辆在当前和完好状态 随机性的本质的GA可以假警报发生有时,但多次将防止这种情况。反应可以分为两个部分。第一阶段利用第一部分的结果并识别损伤的位置。通常,至少应该包含这部分的回应三通过。GA将大致确定损伤的位置根据这些反应。如果确定位置从这些是相同的,不需要进一步的行动。如果反应的结果表明,所确定的位置是不同的,这些潜在的位置将提供第二阶段。这种方式将极大地减少误报的可能性和可能减少搜索领域。使用的人口规模和代GA会因此减少,这将节省计算时间。

4所示。数值研究

双跨度连续桥是用来证明损伤诊断策略。桥是跨越的属性材料的杨氏模量N / m²、密度公斤/米³和转动惯量。阻尼不被认为是目前有限元分析和元素的长度是1.25米。5-parameter车辆,选择相关值如下:,N / m,Ns / m,公斤,N / m。模拟粗糙图所示2在接下来的小节。车辆获取车辆的速度响应0.6 m / s, 0.8 m / s, 1 m / s, 1.2 m / s, 1.4 m / s。集成是0.001秒的时间步。损害被建模为一个元素的刚度降低光束。本文选择损坏的位置在第一季第一跨梁的中间点和对应第四和第十的梁元素,分别。刚度将减少30%。为了方便,减少刚度是反映在等效杨氏模量与其表示的损伤诊断的结果。

4.1。的粗糙度

时的值,,,,将1×10吗⁻⁸米²/ (m /周期),0,0.05周期/ m / m 2周期,和1024年,分别和两套是随机生成的,两个构造的粗糙度。其中一个是图所示2。

4.2。在第一阶段损伤检测

垂直加速度的车辆可以计算(1)。速度是1 m / s时,车辆响应如图3。快速傅里叶变换应用于提取这些反应的频率。前五的频率可以获得完整的桥梁和受损的桥梁。基于模态应变能法应用于第一阶段的损伤诊断。图4与两个山峰意味着可能有两个损坏的位置虽然造成的损害是在一个单一的元素。每个峰的两个最近的元素被视为潜在的损伤位置。因此,针对每种情况完全有四个可能的解决方案。

4.3。在第二阶段损伤检测

第一阶段可以限制损害某些元素的位置虽然不能限制损害单个元素。这将帮助缩小搜索域的后续工作。例如,图4表明,损伤可能在第37第四元素或元素,这表明第二阶段只需要确定哪些损坏的两个元素。

反应分为两部分根据车辆的速度。第一部分包含响应当车辆运行速度为0.6米/秒,1 m / s, 1.4 m / s,而剩余的反应属于第二部分。将遗传算法应用于第一部分,杨氏模量的确定值的元素在图所示5。损坏的位置确定的三个传递造成的损害是在第四元素。然而,第二例损伤的位置还没有确定。尽管这个阶段并不限制损害一个元素,它不仅消除了一半的可能性,而且还提供了粗糙度的概要文件的更多信息。使用遗传算法分析的第二部分的响应,可以确定损伤的位置如图6。

5。结论

提出了一种多级多通道战略识别损伤的位置在一座桥上车辆的响应考虑表面粗糙度的必经之路。桥的频率提取经验模态分解的帮助下。基于模态应变能的损伤检测方法应用于探索可能的损伤位置。获得的潜在位置再给气体作进一步调查。该算法同时确定了每个元素的刚度和粗糙度的形象。数值研究表明,这种结合方法可以成功地确定损伤的位置的双跨度连续桥当一个元素被认为是破坏。测量噪声影响的损害比粗糙度检测更显著。多个位置的损伤,进一步的工作是必要的。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文中描述的工作一直支持的研究资助委员会(RGC)香港特别行政区、中国(RGC项目没有。港大7102/08E)。作者还要感谢x t . Si博士提供的登车桥交互代码计算车辆的反应。