基于模态参数小波变换之铁路桥墩损伤辨识方法及试验概述

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1、基于模态参数小波变换之铁路桥墩损伤辨识方法及试验概述1绪论1.1本课题研究背景及意义截至2013年底，我国铁路运营里程突破10万公里、高铁营运里程突破1万公里，路网结构进一步优化完善，客运、货运能力进一步提升。铁路运输在服务经济社会发展方面发挥了举足轻重的作用。在我国高速铁路建设高潮中，桥梁占线路总长（桥线率）超过50%。典型的如京津城际铁路桥线率为88%，广珠城际铁路桥线率为94%，京沪高速铁路桥线率为86.5%，武广客运专线桥线率为42.14%，目前平均桥线率大约在60%以上，以2011年以后高铁建设总里程计算，2011~2020年预计有1.4万公里高铁，由于今

2、后发展的高铁桥线率不断提升，按80%桥线率来计算，共有11200公里桥梁长度。由此可见桥梁作为交通运输的咽喉命脉，在铁路运输中的地位日益突显，其运营状态的好坏将直接关系到行车的安全和线路的通畅[1-5]。在整座桥梁结构中，桥墩作为重要的支撑结构，其状态的好坏将会直接影响桥梁整体结构的稳定性和安全性。如果桥墩的状况不良，即使上部结构状况完好，整个桥梁的使用性能也会受到影响。铁路桥墩在运营期间除长期承受桥跨结构传递的静力荷载及列车动力荷载外，还可能承受洪水冲刷、船舶和桥下漂流物的撞击、地面及地下水对墩体材料的侵蚀以及突发地震和地质灾害等外界不利作用，致使桥墩出现刚度降低

3、、地基破坏、承载力和耐久性不足等诸多问题，严重的还将影响桥梁整体结构的稳定和安全，进而危及桥上列车的运行安全。近年来，我国铁路桥梁因桥墩破坏而导致桥梁垮塌的教训比较多，包括成昆线利子依达大桥、陇海线灞河铁路大桥、闽江特大桥、外夹河铁路大桥、宝成铁路石亭江大桥等，均是由于铁路桥墩受损破坏，进而导致上部结构落梁（见图1-1）。..1.2基于小波变换的结构损伤识别方法及桥墩损伤诊断测试技术研究现状小波分析作为数学理论中调和分析发展的最新成果，被认为是工具和方法上的重大突破。自上世纪80年代法国物理学家Morlet在进行地震数据分析时首先提出小波变换的概念以来[6]，小波分

4、析作为一种信号处理的有效手段，得到越来越多的理论研究人员和工程技术人员的重视，被广泛应用于多个领域并获得了显著的效果。上世纪90年代，小波分析开始在机械结构故障检测研究领域得到了较广泛的应用。D.ENe等在1975年提出了采用频变比进行损伤识别的概念，在结构仅存在一处损伤的情况下，通过特征值对结构物理参数的灵敏度分析，得出损伤前后结构任意两阶频率变化的比值仅和损伤位置有关[34]。Hearn和Testa[35]提出了一种基于多阶模态频率平方变化比，先识别损伤位置再判断损伤程度的方法。该法利用结构动力方程将某阶模态频率变化量的平方以及单元刚度矩阵损伤指针结合起来，推导

5、得到频率变化量的平方是损伤位置和损伤指针的函数，其比值仅和损伤位置有关。损伤位置确定后，再通过计算损伤指针来判断损伤程度。Farrar等研究发现，低阶频率变化对损伤不敏感，只有高阶频率能够指示损伤位置，由于固有频率是一个全局物理量，不同的结构损伤可能引起相同的频率变化，因而只能发现损伤，无法准确识别损伤位置和识别较小损伤[36,37]。基于固有频率法进行损伤识别的研究表明，仅利用模态频率来识别损伤是不够的，尤其在损伤位置的确定方面。虽然将不同阶的模态频率相关联可以获取损伤位置信息，但由于频率变化对损伤的不敏感，以及损伤情况的复杂性和误差的存在，仅采用频率来识别损伤存

6、在一定的缺陷[33]。.2.2小波变换基本原理小波变换（也作小波分析）是信号的自适应时频分析的一种有效方法，与傅立叶变换、Gabor变换（视窗傅立叶变换）相比，具有很好的时频局部化特性和多分辨率分析的特点，通过平移和伸缩等运算功能可以实现对信号的多尺度细化分析（MultiscaleAnalysis），因而能有效的从信号中提取关键资讯。小波变换作为一种新的变换分析方法，它在继承和发展了快速傅立叶变换局部化思想的同时，也克服了窗口大小不能随频率改变等缺点。小波变换可以提供一个随频率改变的时间频率窗口，是进行信号时频分析和处理的理想工具[26,44,45]。小波变换实际上

7、是一个线性变换方法。与傅立叶变换相比，小波变换在时频域都具有较好的局部特征。小波函数的窗口大小固定不变，但是形状可以变化，即当进行信号分析时，时间窗和频率窗都可以根据需要而进行改变。正是由于小波变换的这个特点，在高频部分具有较低的频率分辨率和较高的时间分辨率，在低频部分具有较低的时间分辨率和较高的频率分辨率，小波分析非常适用于正常信号中夹带的瞬态反常数据的检测。3基于模态参数小波变换的铁路桥墩损伤识别方法研究.........213.1铁路桥墩类别及桥墩病害类型....213.2桥墩损伤识别原理.....253.3铁路桥墩损伤识别数值模拟........273.