佘嘉宸 熊治華 張煜 馬馳騁 朱厚達

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

一、引言

據(jù)調(diào)查，我國農(nóng)村地區(qū)數(shù)量眾多的老舊橋涵面臨著性能嚴重退化、病害多發(fā)的問題，尤其在我國西北地區(qū)，受歷史、經(jīng)濟和技術(shù)等因素限制，農(nóng)村老舊橋涵特別是老舊拱橋的問題更為突出[1]?；谖覈罅啃】鐝焦皹蛐阅芡嘶^嚴重與隨著我國經(jīng)濟發(fā)展而不斷提高的交通運營需求的矛盾，對老舊拱橋開展現(xiàn)場檢測及損傷識別具有重大的現(xiàn)實意義。

雖然橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別領域已經(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業(yè)設備或?qū)嶒炇?，基于這些方法開展橋梁檢測的成本是經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)難以承受的。本文在現(xiàn)存研究成果的基礎上，使用基于動力指數(shù)的損傷識別方法，以陜西省漢中市某橋為研究對象，在現(xiàn)場開展動載試驗，測得橋梁選定測點的加速度時程信號，使用有限元分析模型模擬對應測點的定量損傷，得到模擬數(shù)據(jù)，利用小波包能量變化率平方和(WPERSS)處理實測與模擬數(shù)據(jù)，并運用可視化分析識別該拱橋損傷，得出定量的損傷識別結(jié)果。

二、基于小波包分析的損傷指標

小波包分析方法一般指小波包分解，這是一種對小波變換揚長避短的方法，可以對信號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。[2]在橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別領域，朱勁松等[3]提出了基于小波包分解的損傷識別指標——能量變化率平方和(WPERSS)，并通過對該指標的可視化分析識別橋梁結(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)響應信號的末端頻率亦會隨之發(fā)生波動，進而引發(fā)小波包分解的某些節(jié)點能量發(fā)生變化，又因為各個節(jié)點的能量對響應信號的波動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。小波包能量變化率平方和指標(WPERSS)為:

三、荷載試驗

（一）橋梁背景信息

試驗橋梁位于陜西省城固縣。該橋是當?shù)刂匾慕煌屑~，始建于1977年，1982年竣工通車，距今40余年，橋梁總長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，如圖2所示，是一座典型的老舊拱橋。由于修建時間較遠，橋梁的病害較為嚴重。

圖2 試驗橋梁

（二）有限元建模

基于實地調(diào)研獲取的資料，建立橋梁的有限元模型，以開展試驗前的分析。建模主要模擬主拱肋部分。其長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）試驗概況

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

圖4 加速度測點布置示意圖

用全重33.6kN，前軸重15.60kN，后軸重18.20kN，前后軸距為3m的車輛分別以時速30km、40km、50km的速度行駛模擬環(huán)境激勵，利用便攜式加速度傳感器采集汽車動載作用下、不同速度條件下各個測點的加速度時程信號，采樣頻率為10Hz。

四、損傷識別

選取db20小波將動載試驗所測得的不同車速的加速度時程響應信號和有限元分析模擬所得的響應信號分解到第2尺度，計算WPERSS值，并作圖如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 時速30km 時，各測點WPERSS 值

圖6 時速40km 時，各測點WPERSS 值

圖7 時速50km 時，各測點WPERSS 值

由圖可知，測點1、測點2和測點3處損傷程度相近且損傷情況較嚴重，約為30%；測點4和測點5損傷情況較為輕微，約為25%；測點5損傷情況介于測點1、測點2、測點3和測點4之間，約為30%。

五、結(jié)語

本文以陜西省漢中市城固縣某橋為背景工程，運用數(shù)值分析模型，以荷載試驗的數(shù)據(jù)為基礎，利用基于小波包分析方法的損傷識別指標——能量變化率平方和(WPERSS)對其開展損傷識別，并使用可視化分析方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡得出損傷識別結(jié)果。該橋左數(shù)第二腹拱中點（測點1）、第二拱腹處（測點2）和第三腹拱中點（測點3）處損傷程度約為30%，拱中點（測點4）的損傷程度約為25%，主拱偏右中點（測點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輸局對科研試驗提供的幫助。