基于车桥耦合振动分析的桥梁损伤诊断方法研究

基于车桥三维空间动力相互作用理论，采用理论分析、试验室试验和现场试验相结合的方法，研究基于车桥耦合振动分析的桥梁损伤诊断方法这一前沿课题。建立能考虑各种边界条件、桥梁形式、结构损伤类型的车桥耦合振动分析模型和车桥系统动力试验模型，分析桥梁位移、速度、加速度、应变等响应对桥梁不同类型、不同程度损伤的敏感性，探求动力响应与桥梁损伤的内在关联机理，提出基于少量测点响应的桥梁损伤定位和定量评估方法；研究直接利用车激桥梁响应和间接利用通行车辆响应识别桥梁模态参数的理论和信号分析方法。最终目标是为在役桥梁的实时监测和状态评定提供一种可靠的方法。项目具有国际合作以及与测试经验丰富的铁路局开展合作的背景，有利用国内外大量桥梁试验、检测和监控资料及在铁道部项目支持下进行桥梁现场动力试验的便利条件。项目的完成将对完善桥梁损伤诊断的基础理论做出贡献，并为进一步的理论研究和工程应用奠定基础。

本项目基于车桥动力相互作用理论，采用理论分析、试验室试验、现场试验、数值仿真分析相结合的方法，系统研究了基于车桥耦合振动分析的桥梁损伤诊断方法这一桥梁工程领域的前沿课题，完成了计划的研究目标和研究内容。建立了能考虑各种边界条件、桥梁形式、结构损伤类型的车桥耦合振动分析模型和车桥系统动力试验模型，利用移动车辆—桥梁模型动力试验系统进行了车桥动力性能测试，利用车辆响应和桥梁响应分别识别桥梁的模态参数。结合与比利时鲁汶大学的合作，利用鲁汶大学在意大利Sesia高速铁路桥的测试数据，进行了桥梁损伤识别方法的研究，为建立桥梁模态参数识别和损伤诊断模型和分析方法提供数据和参数。利用西班牙Jalon 高速铁路桥的振动测试数据，通过有限元修正，建立了精细的桥梁有限元分析模型。研究了桥梁位移、速度、加速度、应变等响应对桥梁不同类型、不同程度损伤的敏感性，揭示了桥梁动力响应与桥梁损伤的内在关联机理，提出了基于少量测点响应的桥梁损伤定位和定量评估方法、直接利用车激桥梁响应和间接利用通行车辆响应识别桥梁模态参数的理论和信号分析方法。用位移互等定理解释了对移动荷载作用下梁的位移响应进行连续小波变换识别损伤的可行性。以移动荷载作用下结构位移时程作为输入，对其进行小波变换识别损伤位置，用Lipschitz指数评价损伤程度，考虑了不同程度损伤、不同测点位置、多位置损伤、荷载速度、荷载大小等因素的影响。与比利时鲁汶大学、西班牙马德里理工大学、日本铁路综合技术研究所进行了有效的合作，通过完成国际合作项目、学术互访，协助组织国际会议，互派学者，共享试验数据，联合培养研究生等方式，合作研究桥梁结构的动力安全评估与损伤识别问题。夏禾教授作为主编，与比利时、西班牙等国家的学者共同完成了英文专著《Bridge Vibration and Controls: New Research》，并由美国Nova Science Publishers出版。研究成果在国内外发表论文15篇，其中SCI检索4篇， EI检索6篇。培养博士研究生3名、硕士研究生5名。研究成果丰富和完善了桥梁损伤诊断的基础理论，并为进一步的理论研究和工程应用奠定了基础。