测试技术及其在检测中的应用.docx

测试技术及其在检测中的应用.docx

《测试技术及其在检测中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测试技术及其在检测中的应用.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

测试技术及其在检测中的应用

交通部西部交通建设科技项目

合同编号：

200431874020

密级：

桥梁振动测试技术及其在检测中的应用

研究报告简本

招商局重庆交通科研设计院有限公司

大连理工大学

重庆市公路局

2009年4月

桥梁振动测试技术及其在检测中的应用

研究报告（简本）

“桥梁振动测试技术及其在检测中的应用”是交通部西部建设科技项目。

该项目由交通部组织，项目承担单位为招商局重庆交通科研设计院有限公司，大连理工大学，重庆市公路局等科研院所和高等院校。

该项目于2004年启动，于2009年4月全面完成。

本项目主如果针对桥梁振动测试和快速评定等问题和当前桥梁管养的需求提出来的，对桥梁结构振动测试技术及其在桥梁检测中的应用开展较系统的研究，重点研究如何测得准的问题，和测试结果如何应用的问题，即结合其它检测方式，对桥梁结构的技术状况和承载能力的综合评定进行补充和完善。

通过本项目的开展和依托工程的具体实施，形成基于振动测试的桥梁检测成套技术，为桥梁的保护、维修、改造和加固提供必要的技术支持，为相关检测规范的修订提供相应的技术支撑，弥补国内外在这方面研究的不足，具有重大的工程应用价值和研究意义。

一、研究目标和主要研究内容

针对中小跨度梁桥，适当兼顾中小跨度拱桥，进行桥梁振动测试调研、理论分析、实验研究和依托工程实施。

目以桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究作为本项目研究目的，重点解决测什么、如何测得准、测试结果怎么应用的问题和如何准确、快速地对桥梁技术状况和承载力做出快速而准确的评定作为本项目的研究核心。

主要分为五个专题展开研究工作，别离是：

1.不中断或少中断交通状态下桥梁振动测试和模态参数识别技

术研究；

2.面向测试的桥梁结构有限元建模和分析技术研究；

3.桥梁结构的损伤敏感性指标体系研究；

4.基于振动测试结果的桥梁状态评估技术研究；

5.桥梁振动测试技术指南编写。

各个专题均圆满完成了研究任务，并形成了相应的专题研究报告。

在五个研究报告的基础上形成了项目技术总报告。

专题研究一主要解决在现场测试中，主要测试什么，如何准确地测试各个物理量等问题。

旨在肯定一套能够在现场桥梁测试中应用效果较好的传感器优化布设技术，并针对各类型梁桥提出一般的传感器方案；针对不中断或少中断交通状态下的桥梁环境振动鼓励方式与桥梁振动系统识别方式；桥梁振动测试与分析处置的研制与开发，使以上研究功效更具有可操作性，易于推行和应用。

能够依照桥梁振动测试技术指南在指南大体要求的范围内快速、简便的进行桥梁振动测试，为桥梁大面积的快速普查奠定必要的技术基础。

专题研究二主要解决“如何有效地利用测试结果”。

主要针对已建桥梁有限元模型修正的关键问题，结合当前模型修正研究领域最新功效开展深切研究，成立方便于实际桥梁工程结构模型修正方式，为实现桥梁结构快速检测、评估提供理论和技术支持。

专题研究三主要解决“如何有效地利用测试结果”。

主如果开展一些探索性的研究工作，尝试用准静态影响线对桥梁结构进行损伤识别；总结国内外桥梁结构损伤敏感性指标方面的研究功效和应用情形；探讨对桥梁结构损伤较为敏感的指标体系。

专题研究四主要解决“如何准确、快速地对桥梁技术状况和承载能力评定”。

本专题旨在对基于振动检测结果的桥梁技术状况技术进

行探索性研究，重点放在解决快速的初步评估方式的研究上，为桥梁结构大面积的快速普查奠定必要的技术基础，为桥梁振动测试技术指南的编写提供依据。

专题五主如果进一步丰硕和完善现有桥梁检测评定体系，编制《桥梁振动测试指南》。

图1各专题之间的研究关系

各专题之间的研究关系如图1所示。

专题一和专题二是本项目的研究基础，为其它专题提供所需要的大体数据和手腕，和如何利用这些数据进行精细有限元模型建模和分析；专题三是利用前两个专题的测试数据和有限元分析技术来研究桥梁结构的损伤敏感性指标，为桥梁结构的评定提供依据；专题四是利用前三个专题和专题五的研究功效，成立桥梁承载力快速评定方式；专题五是在总结本项目的研究功效和当前振动测试既有研究功效的基础之上，编制桥梁结构振动测试技术指南，并为桥梁技术状况和承载力快速评定的成立提供参考。

二、主要研究功效

通过本项目的研究攻关，完成了合同规定的全数研究内容，还逾额完成了某些研究课题，使研究功效形成理论技术体系。

取得的主要功效表现如下：

通过本项目的研究实施，取得了以下主要研究功效：

（1）研究报告

1）桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究技术总报告

2）专题研究报告之一：

不中断或少中断交通状态下桥梁振动测试和模态参数识别技术研究报告

3）专题研究报告之二：

面向测试的桥梁结构有限元建模和分析技术研究报告

4）专题研究报告之三：

桥梁结构的损伤敏感性指标体系研究报告

5）专题研究报告之四：

基于振动测试结果的桥梁状态评估技术研究报告

6）专题研究报告之五：

桥梁振动测试与分析处置系统研制报告报告

7）专题研究报告之六：

桥梁振动测试技术指南

8）桥梁振动测试技术及其在检测中的应用研究工作报告

（2）专利：

2项。

（3）软硬件系统开发：

2套。

（4）人材培育及论文发表

结合本项目研究，共培育研究生12名，其中博士研究生3名，硕士研究生9名，发表论文16篇。

三、主要创新功效

本项目在桥梁振动测试技术理论、应用技术和软硬件分析系统开发等方面取得了一系列的创新性工作。

创新点一：

提出了基于影响线的有限元模型修正技术

本项目第一次提出了基于影响线的有限元模型修正方式，并在此基础之上，还提出基于影响线和振动频率的动静多目标有限元模型修正方式，并在实桥中取得成功运用，为桥梁评定或快速评定提供了有力的工具。

创新点二：

成立了基于影响线的桥梁结构损伤敏感性指标体系

本项目第一次提出了基于影响线及其一、二阶位置灵敏度的桥梁结构损伤识别方式，并发觉了挠度（应变）影响线的二阶位置导数和影响线的相关度向量对损伤较为敏感，并在室内模型和实桥中取得成功运用；揭露了准静态挠度（应变）影响线对加载位置的一、二阶灵敏度与某点处变形率、变形加速度之间的转变关系；专门是当加载速度为常数时，准静态挠度（应变）影响线对加载位置的二阶灵敏与该点处的变形加速度成线性转变关系，即

；为桥梁损伤敏感性研究提供了靠得住的敏感性指标。

创新点三：

成立了基于实测准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定方式

本项目第一次提出了一套完整的基于实测准静态广义影响线的桥梁快速检测与评定方式，并在实桥中取得了良好的效果。

其中基于实测准静态广义影响线的评定方式主要包括：

（1）基于实测准静态广义影响线的直接对比评定法；

（2）基于实测准静态广义影响线的模型修正评定法。

基于准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定框图见图2所示。

第一种评定方式是基于准静态广义影响线的直接检算评定法，该方式主如果按照结构的载荷品级和布载车道，进行跑车实验，获取相应的广义影响线，并用实测的影响线代替计算影响线对桥梁结构进行直接检算和桥梁评定。

但需注意桥梁结构较为复杂时，实测准静态广义影响线难以准确计算恒载作用下的响应，该方式不能采用。

一般情形下，对于中小跨度直梁桥，该方式能够采用。

图2基于准静态广义影响线的桥梁结构承载力快速评估流程图

第二种即直接对比评定法直接，该方式又别离为两类：

直接比较评定法和直接组合评定。

直接比较评定方式是在现状检查、简单检测和检算结果的基础之上，通过跑车实验取得实测的桥梁结构准静态广义影响线，同时采用有限元方式模拟跑车实验进程，取得计算的准静态广义影响线并和实测的准静态广义影响线进行对比分析，按照对比情形直接进行评定。

而直接组合评定方式是用实测的准静态广义影响线对桥梁结构进行检算，按照肯定的荷载品级和布载车道，进行跑车实验，获取相应的广义影响线，然后将其依照静载实验方案进行组合，用组合值与荷载实验的理论控制值进行直接对比分析来快速评定桥梁的承载能。

第三种评定方式是用实测的准静态广义影响线数据来修正有限元模型，然后用修正后的有限元模型来预测结构的响应情形并对桥梁结构进行评价，即模型修正评定法；

若通过上述评定方式评定桥梁的技术状况后还存在必然的疑问，没有十足的把握，则需要采取进一步的特殊检查或静力荷载实验等检测方式。

该体系丰硕和完善了现有的桥梁检测评定体系，也为不中断或少中断交通的桥梁结构快速评定的研究提供一条可行的思路和方式。

创新点四：

随机子空间法中块Hankel矩阵QR分解的快速算法

本项目提出了一种专门针对该类型的块Hankel矩阵的QR分解算法，仅计算R矩阵，比通用的QR分解算法相较，计算精度超级接近，在计算效率上有显著提高。

实用技术一：

传感器优化布设的一种统一方式

对桥梁振动测试测点优化布设开展了较系统研究，提出了传感器优化布设的一种统一方式，该算法能够实现一次传感器布置，同时测试前几阶模态的目的，并给出了常见梁桥的前几阶模态参数测试的传感器参考布设方案。

实用技术二：

高精度的短索索力识别方式

本项目提出了高精度的短拉索索力识别方式，并开发了同时适合长索和短索的索力识别分析软件，在成桥实验或施工监控中的索力识别取得了专门好的效果。

实用技术三：

万向无级调力调频起振机

自主研制了桥梁振动测试万向无级调力调频起振机，结构紧凑，传动靠得住，调节简单，具有任意改变激振力大小及方向和激振频率十分容易调节等特点，获国家专利1项。

图3万向无级调力调频起振机

实用技术四：

影响线快速测试系统

自主研制了一套影响线快速测试系统，只需荷载车辆沿着车道缓慢通过全桥即可完成影响线的测试和绘制，整个进程自动化程度高，极大缩短了影响线测试时刻，大大提高了影响线测试的效率和精度。

其中桥梁振动测试用的车辆位置定位仪，获国家专利1项。

图4影响线快速测试系统

实用技术五：

桥梁振动测试与分析系统

自主研制了桥梁振动测试与分析系统，该系统结合桥梁振动测试的具体要求，是一套经济实用的、具有自主知识产权的桥梁振动测试分析系统，主要包括振动信号同步收集、信号处置和结构模态分析等功能，信号分析处置的精度和效率和国外最先进的分析系统相当。

图5桥梁振动测试与分析处置系统

实用技术六：

面向测试的桥梁结构有限元分析与模型修正软件

自主研制了具有自主版权、操作性强、知足规范和指南要求的面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统，除具有常规有限元软件的功能，该系统还具有如下特点：

（1）能够实现参数化建模，程序系统模板中的构件概念组成了一个以控制参数为对象的层次性结构，参数数值能够被用户修改,而其几何形状也做出相应的调整，最终通过参数化建模简化桥梁结构建模进程；

（2）能够充分利用实测数据对有限元模型进行修正；

（3）能够实现和当前的桥梁评定等相关规范或指南相结合。

图6面向测试的桥梁结构有限元分析与模型修正软件

实用技术七：

编写了首部《桥梁振动测试技术指南》

编写了首部《桥梁振动测试技术指南》，该指南可操作性强，系统地总结了桥梁振动测试技术的研究功效，为桥梁结构提供了统一的动力检测与评定方式，尤其是为不中断或少中断交通的桥梁结构快速评定提供具体的方式，该指南具有系统完善、技术上可行、操作方便等特点。

三、经济社会效益及推行应用前景

本项目研究功效创新点多、实用性强，形成了包括振动测试、计算分析、快速评定等内容的成套的、先进的、实用的桥梁振动测试技术和评估技术，提高了桥梁振动测试和评定的技术水平，丰硕和完善了现有桥梁检测和评估技术体系，上述研究功效填补了国内外在桥梁结构技术状况普查、承载能力快速评价领域多项空白，整体上达到了国际领先水平。

为桥梁常规检查、桥梁结构快速普查等提供了有力的工具和指南，也为不中断交通或少中断交通提供新的途径和思路，这些技术功效为此后进一步开展这方面的科研工作打下良好的基础，有力地增进了科技进步。

“桥梁振动测试技术及其在检测中的应用”项目的相关科研功效具有良好的推行应用前景。

其中基于准静态影响线的桥梁承载力快速评定方式在公路、铁路和城市中小跨度桥梁的检测评定中能够普遍推行应用；桥梁索力（含短索索力）识别技术在桥梁承重索缆检测中也可普遍推行应用；研制的起振机在桥梁、建筑、水坝等领域都可推行应用；结构分析与模型修正软件系统和桥梁振动测试与分析软硬件系统也达到了较成熟的程度，在此基础上再做少量的完善工作可达到推向市场的要求，在桥梁工程领域及众多其他领域具有超级普遍的推行应用前景。

应用本项目研究功效，能够大幅度提高西部地域乃至全国公路桥梁检测水平和评估效率，也为量大面广的中小跨度桥梁技术状况普查和承载力快速初步评定提供了新的高效率技术手腕，对保障桥梁结构的安全性，避免和减少桥梁结构的安全事故，具有重要意义。

同时也为桥梁养护和维修提供技术依据，对减少桥梁养护和维修费用，具有良好的经济效益。

另外，从保障国民经济稳固进展和人民生命财产安全考虑，也具有良好的社会效益，本项目功效还可推行应用到铁路桥梁、城市桥梁的振动测试和评估中，因此也将产生良好的经济效益和社会效益。

本项目研究的振动测试与评定方式与常规的按期检测相较，检测和评定结果加倍准确和靠得住，而且能够深切地反映桥梁的实际响应状况，若仅以按每一年减少2000座桥梁的静载实验计算，静载实验费用平均本钱按每座桥5万元计算，则每一年可节约检测本钱近亿元。

另外，本项目所开发的桥梁结构计算分析软件和振动测试分析软件也具有良好的推行应用前景，经进一步完善后可在国内推行应用，以每套软件3万元计算，计算分析软件和振动测试与分析软件各推行100套计算，共计可创造经济效益近600万元。

四、项目整体评价

本研究项目具有难度大、难点多、研究领域广、工作量大等特点，许多项目的研究内容在国内外都属于全新的领域，需要进行大量的探索性工作，才能达到预期的效果，但项目组通过5年的深切研究，不仅完成了项目任务书规定的研究内容，而且部份内容还逾额完成了合同所规定的任务，取得了多项创新性研究功效，达到了项目任务书规定的主要技术经济指标要求和考核目标要求，在桥梁结构快速评定等领域取得了实质性的进展。

培育了一批高素质交通科技人材，取得了两项国家专利，自主研制了万向无级调力调频起振机、影响线快速测试系统、面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统和桥梁振动测试与分析软硬件系统等产品，为后续相关科研工作打下了良好的基础。

项目执行情形及管理工作整体情形良好，为此后组织实施类似的多单位合作、产学研结合科研项目积累了有利的经验。

本项目第一次提出了基于影响线的有限元模型修正方式和基于影响线和振动频率的多目标有限元模型修正方式；第一次提出了基于影响线的损伤识别理论体系；原创性的研究了基于准静态广义影响线的桥梁承载力快速评定方式；提出了随机子空间法中块Hankel矩阵QR分解的快速算法；自主研制了面向测试对象的桥梁结构有限元分析与模型修正系统、桥梁振动测试与分析系统；自主研制了影响线快速测试系统和万向无级调力调频起振机；第一次编制了《桥梁振动测试技术指南》。

综上所述，本项目取得了一系列原创性的研究功效，填补了多项桥梁振动测试领域的国内外空白。

五、结束语

总之，课题组已经全面完成了合同和研究大纲规定的全数任务，研究工作量庞大，取得了多项具有重大工程应用价值的应用基础性功效。

这些功效对于提高桥梁振动测试、不中断或少中断交通状态下桥梁快速评定的技术水平具有重要的理论意义和工程应用价值，开发的软硬件系统和编制的指南具有广漠的推行应用价值，建议交通部持续支持，设立相关的科研项目，进一步进行产品化后续研究和开发。

六、致谢

本项目取得了交通部西部交通建设科技项目管理中心的大力支持，同时也取得国内有关专家的大力支持，和招商局重庆交通科研设计院有限公司科研管理部门和领导的大力支持，在此表示衷心的感激！