佘嘉宸 熊治華 張煜 馬馳騁 朱厚達(dá)

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712100）

一、引言

據(jù)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)數(shù)量眾多的老舊橋涵面臨著性能?chē)?yán)重退化、病害多發(fā)的問(wèn)題，尤其在我國(guó)西北地區(qū)，受歷史、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素限制，農(nóng)村老舊橋涵特別是老舊拱橋的問(wèn)題更為突出[1]?；谖覈?guó)大量小跨徑拱橋性能退化較嚴(yán)重與隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不斷提高的交通運(yùn)營(yíng)需求的矛盾，對(duì)老舊拱橋開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及損傷識(shí)別具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

雖然橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域已經(jīng)探究出許多行之有效的方法，但這些方法大多需要依靠專(zhuān)業(yè)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)室，基于這些方法開(kāi)展橋梁檢測(cè)的成本是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)難以承受的。本文在現(xiàn)存研究成果的基礎(chǔ)上，使用基于動(dòng)力指數(shù)的損傷識(shí)別方法，以陜西省漢中市某橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展動(dòng)載試驗(yàn)，測(cè)得橋梁選定測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程信號(hào)，使用有限元分析模型模擬對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的定量損傷，得到模擬數(shù)據(jù)，利用小波包能量變化率平方和(WPERSS)處理實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)，并運(yùn)用可視化分析識(shí)別該拱橋損傷，得出定量的損傷識(shí)別結(jié)果。

二、基于小波包分析的損傷指標(biāo)

小波包分析方法一般指小波包分解，這是一種對(duì)小波變換揚(yáng)長(zhǎng)避短的方法，可以對(duì)信號(hào)的低頻部分和高頻部分分解，如圖1所示，能更好的處理包含中、高頻信息的信號(hào)。[2]在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別領(lǐng)域，朱勁松等[3]提出了基于小波包分解的損傷識(shí)別指標(biāo)——能量變化率平方和(WPERSS)，并通過(guò)對(duì)該指標(biāo)的可視化分析識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。

圖1 小波包分解示意圖

在橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的情況下，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號(hào)的末端頻率亦會(huì)隨之發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)小波包分解的某些節(jié)點(diǎn)能量發(fā)生變化，又因?yàn)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的能量對(duì)響應(yīng)信號(hào)的波動(dòng)十分敏感由此即可判斷橋梁結(jié)構(gòu)的損傷。本文為了有效識(shí)別橋梁結(jié)構(gòu)損傷，利用了基于小波包分析方法的小波包能量變化率平方和這一指標(biāo)。小波包能量變化率平方和指標(biāo)(WPERSS)為:

三、荷載試驗(yàn)

（一）橋梁背景信息

試驗(yàn)橋梁位于陜西省城固縣。該橋是當(dāng)?shù)刂匾慕煌屑~，始建于1977年，1982年竣工通車(chē)，距今40余年，橋梁總長(zhǎng)73.7m，橋?qū)?m，上部結(jié)構(gòu)為雙曲拱、下部結(jié)構(gòu)為重力式橋臺(tái)，如圖2所示，是一座典型的老舊拱橋。由于修建時(shí)間較遠(yuǎn)，橋梁的病害較為嚴(yán)重。

圖2 試驗(yàn)橋梁

（二）有限元建模

基于實(shí)地調(diào)研獲取的資料，建立橋梁的有限元模型，以開(kāi)展試驗(yàn)前的分析。建模主要模擬主拱肋部分。其長(zhǎng)50m、寬8m，為鋼筋混凝土雙曲拱結(jié)構(gòu)，共有5拱肋4拱波。主拱肋厚1.2m，每道拱肋、拱波橫橋向?qū)?.89m。拱軸線為懸鏈線，拱上頂點(diǎn)凈高12.6m。主拱上左右各有5道腹拱，腹拱厚0.8m。橋面板厚0.3m。

全橋以桿系單元模擬，拱肋和橋面以全約束連接單元連接。建立有限元模型如圖3所示。其中，材料選取方面，橋面系與縱向主拱肋、橫向拱波、橫聯(lián)采用C50混凝土，腹拱橫墻采用石材。

圖3 三流水橋有限元模型

（三）試驗(yàn)概況

根據(jù)有限元模擬的計(jì)算分析結(jié)果，一共選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左到右分別為：左數(shù)第二腹拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1）、第二拱腹處（測(cè)點(diǎn)2）、第三腹拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)3）、拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)4）、主拱偏右中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)5），如圖4所示。

圖4 加速度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

用全重33.6kN，前軸重15.60kN，后軸重18.20kN，前后軸距為3m的車(chē)輛分別以時(shí)速30km、40km、50km的速度行駛模擬環(huán)境激勵(lì)，利用便攜式加速度傳感器采集汽車(chē)動(dòng)載作用下、不同速度條件下各個(gè)測(cè)點(diǎn)的加速度時(shí)程信號(hào)，采樣頻率為10Hz。

四、損傷識(shí)別

選取db20小波將動(dòng)載試驗(yàn)所測(cè)得的不同車(chē)速的加速度時(shí)程響應(yīng)信號(hào)和有限元分析模擬所得的響應(yīng)信號(hào)分解到第2尺度，計(jì)算WPERSS值，并作圖如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 時(shí)速30km 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)WPERSS 值

圖6 時(shí)速40km 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)WPERSS 值

圖7 時(shí)速50km 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)WPERSS 值

由圖可知，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3處損傷程度相近且損傷情況較嚴(yán)重，約為30%；測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5損傷情況較為輕微，約為25%；測(cè)點(diǎn)5損傷情況介于測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4之間，約為30%。

五、結(jié)語(yǔ)

本文以陜西省漢中市城固縣某橋?yàn)楸尘肮こ蹋\(yùn)用數(shù)值分析模型，以荷載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用基于小波包分析方法的損傷識(shí)別指標(biāo)——能量變化率平方和(WPERSS)對(duì)其開(kāi)展損傷識(shí)別，并使用可視化分析方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出損傷識(shí)別結(jié)果。該橋左數(shù)第二腹拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1）、第二拱腹處（測(cè)點(diǎn)2）和第三腹拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)3）處損傷程度約為30%，拱中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)4）的損傷程度約為25%，主拱偏右中點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)5）的損傷程度約為30%。

本文特別感謝陜西省漢中市城固縣交通運(yùn)輸局對(duì)科研試驗(yàn)提供的幫助。