时间力矩被应用到对全尺寸钢桥进行损伤检测外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

新维达

冲击和振动

2020卷，文章编号3083752，16页

http：//doi.org/10.1155/2020/3083752

研究文章

时间力矩被应用到对全尺寸钢桥进行损伤检测

比约恩T ·斯文迪森，枪石T.弗罗塞斯和安德斯·罗奎斯特

信件应该寄到挪威科技大学结构工程系的特隆赫姆7491，通讯地址是比约恩斯文德森@新台大.no

在2019年11月6日收到;在2020年1月18日接受;在2020年2月27日出版

学术编辑:马哈茂德巴亚特

版权所有copy;2020 比约恩T ·斯文迪森等人，这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放获取文章，就是允许这篇文章在任何媒体上使用、发布和复制不受限制，但是得被正确引用。

正如文献报道的，在桥面结构系统中发现，在现有的公路和铁路钢桥中，损伤与疲劳有关很常见。这篇文章提出了一种检测钢桥损伤节点的方法来提高桥梁检测质量。该方法将时间力矩的相应测量和仪器设置的适当相连接。通过将基于时间矩的统计参数与基线进行比较来识别受损的关节连接，基线数据是根据所有考虑的关节连接的统计参数建立的。通过利用仪器设置来实现损坏接头连接的局部化。该方法的可行性通过一个全尺寸钢铆接桁架桥的实验研究得到了验证，该桥梁桥面下方有两个已知的损伤，并对这两个损伤进行了识别和定位。所提出的方法可以改进桥梁检测过程中结构损伤的识别，并适用于开放桥面钢桥。

1.介绍

基础设施的退化和老化是全世界关注的一个重大问题。许多公路桥和铁路桥在交通荷载和强度方面受到越来越多的要求，即使这些结构正在接近或已经超过其最初的设计寿命。考虑到对更高效的运输系统的要求，尽管老化和相关的损伤积累，但许多桥梁仍然在使用。

欧洲和美国在20世纪上半叶建造的许多现有桥梁都是用钢建造的。这些桥梁的主要损伤机制是疲劳，最常见的疲劳损伤类型出现在桥面[1]的结构体系中。因此，对钢桥桥面结构体系中结构构件的使用寿命估计和疲劳可靠性分析进行了几个案例研究[2-9]。纵向之间的联系是研究的对象[10-16]。这些纵桁到梁的连接处不容易接近，因此很难检查。诱导损伤包括连接的各个部分的开裂，如果没有在早期阶段检测到，可能发展并导致组件失效，对结构完整性至关重要。

进行检查，以确保桥梁的短期安全运行。对于铁路桥，视觉检测是首选的无损检测方法[17]。通常，定期指定这些检查，以确定维护需求。有几个挑战与目视检查有关。首先，检查要求直接访问关键结构部件。许多桥梁位于偏远地区，交通不便。要执行全面检查，要么需要操作停机，要么需要临时安装访问支持，或者两者都需要。第二，检验的质量取决于检验人员的经验和知识。疲劳损伤由于能见度低，可能很难被发现。关键的结构损伤可能很难建立，直到结构受到操作或强烈的环境载荷。因此，完全进入桥梁进行检查的费用很高，而且不能保证发现损坏。第三，定期检查不能提供关于桥梁状况当前状态的完整最新信息。结构健康监测(SHM)，定义为在结构[18]中实现自动在线损伤检测策略的过程，可以提供此类信息。尽管SHM系统无疑可以优化检查过程，但仍然需要开发以确保这些系统是负担得起的和可靠的，并且这些系统有可能检测到局部和全局的损害。在基础设施中有大量的现有桥梁，在桥梁检查过程中需要一种增强的检测方法来检测损伤。

目前存在许多基于振动的损伤检测方法，其中大多数应用都是基于数值研究或在受控环境下进行的实验室研究[19-23]。在文献中没有广泛报道的一种方法是使用时间时刻[24]。时间力矩可以用来表征激波或瞬态动态信号，并且在描述这些时间历程的形状时很有用。只有一项研究发现将这种方法用于损伤检测目的。赫麦斯和多布林[25]将时间力矩应用于从金属和关节组件的复杂螺纹装配中获得的加速度响应测量，其中一个目标是区分松散装配测试和紧密装配测试。载荷被设定为系统外表面的炸药块。研究的结论是，松散装配试验可以通过分析时间力矩成功地区别于其他试验。一个类似的分析方法被用来检测全尺寸钢桥的连接损伤。

本文提出了一种新的检测梁端连接损伤的方法，以提高桥梁检测的过程和质量。该方法结合使用响应测量的时间力矩，适当的仪器设置和系统的监测程序。为此，对一座全尺寸钢桥进行了试验研究。对桥面进行了测量，并使用模态锤进行加速度响应测量。将时域矩量法应用于加速度响应的瞬态部分，建立了包含统计参数的梁-梁连接特征向量。通过(1)调查单个统计参数和(2)通过相关性分析比较特征向量建立损伤指标矩阵来识别和定位损伤连接。同时还研究了采样频率的影响。本文讨论了该方法的可行性，并将其应用于现役类似桥梁，特别是作为损伤检测总体检查计划的一部分。

2.时间的时刻

2.1。连续时间信号中的时间瞬间。时间时刻描述信号的能量如何随时间分布。这些是通过考虑信号振幅的平方来建立的，并提供了一种对瞬态信号[26]进行统计表征的替代方法。第i阶时间矩Mi，约为参考时间tr，对于连续系统定义为[24]其中t为时间，y(t)为系统输出，通常为响应测量信号。前五个矩与描述瞬态信号的统计特性特别相关:能量(E)，中心时间(T)，均方持续时间(D2)、偏态(S3t )，峰度(K4t )。这些时刻用基本时刻和中心时刻来表达。当参考时间tr,是0。然后可以引入一个简化的符号

(2)

此外，一个中心时刻Mi(T)定义为一阶时间矩为零时，参考时间的一个值T，即

(3)

给出了有关T的前五个矩的基本矩和中心矩的定义。能量E为零阶矩定义为

(4)

其中M0(T)为零阶时域矩。这个时刻被定义为信号平方的积分。它与任何参考时间无关。因此，它被称为信号的能量。中心时间T，是第一个归一化中心矩，定义为

(5)

基本力矩M在哪里1，由一阶时域矩M建立1(T)，利用式(1)(2):

(6)

对E的归一化提供了能量质心所在的时间，即。，即信号振幅的平方下面积的质心。通过考虑能量随时间的分布，这个时刻表示一半的能量已经通过，一半到达传感器的点。对高阶矩也提供了类似的标准化处理。均方持续时间D2，为第二个归一化中心矩，定义为

(7)

其中M2(T)是定义的二阶时间时刻根据方程(1)。均持续时间描述信号的能量色散的中央,T .均方根持续时间,D,获得了方程的表达式的平方根(7)。由于正常化,这个表达式提供了时间的精力分散。能量中最重要的部分预计在中心时间左右。均方和均方根(RMS)持续时间分别类似于规则统计矩的方差和标准差。中心偏度St，为第三个归一化中心矩，定义为

(8)

其中M3(T)为根据式(1)定义的三阶时间矩，RMS持续时间归一化的偏度是一种无因次度量，定义为

(9)

偏度用对称性来描述信号能量的形状。中心时间T或质心的对称性表明偏度为零。具有左侧高振幅和位于质心右侧的相应低振幅尾的瞬态信号具有正偏态。类似地，反之则提供负偏度。中央峰度，Kt，为第四个归一化中心矩定义为峰度描述信号能量的尾部形状。更准确地说，峰度为信号中的异常值提供了一种度量，这些异常值在信号振幅平方下的面积的尾部表示。一般情况下，峰度值越低，异常值越少，而峰度值越高，异常值越多。因此，峰度值越高，表示尾部面积越大。根能量振幅，AE，是描述能量的另一种方法，定义为

(12)

这个表达式是由均方根持续时间标准化的能量的平方根。表1总结了时间时刻方面的中心时刻。

应注意以下两项澄清。首先，一个中心时刻只是一个暂时的时刻到一阶时间矩为零时的参考时间T。所有1到4阶的中心矩都用基本矩E进行归一化，即零阶时域矩。因此，单位变成秒。此外，通过均方根持续时间D进行的第二次标准化，提供了一种使用无量纲单位的三阶和四阶中心矩的替代度量。第二，考虑到公式(1)中提供的定义，很明显，对信号的积分的平方是信号的总能量，或定义的信号的面积的平方。信号的平方代表一种分布，它类似于常规统计理论中的概率密度函数。因此，中心矩是该分布的统计矩，也表示信号的能量如何在时间上分布。

2.2。离散时间信号中的时间瞬间。对于有限持续时间的离散信号，由式(1)定义的关于中心时间T的第i阶时间矩可以近似为

(13)

其中delta; t是两个响应测量之间的时间增量，采样指数定义为从0到Nminus;1，这是数字信号处理中常用的方法。此外，一般积分是基于梯形法则的。式(13)的数值应用为建立中心矩和归一化中心矩提供了依据。基本矩的归一化中心矩提供了另一种建立5个时间矩的方法，可以用式(13)表示:

根据公式(1)考虑参考时间T的时间矩，结合公式推导出这些关系

(2)和表1中提供的中心矩定义。

在本研究中，时域的应用，所分析的信号是加速度响应测量或时间历史。然而，该应用也适用于使用其他措施获得的响应的瞬态部分，如应变、力、位移或速度[24]。时间矩的数字实现是[27]提供的。

2.3。特征向量。表1中给出的中心矩和归一化中心矩可以作为暂态信号的统计参数建立。在下面，这些参数也被称为特征，它们被定义为从响应测量中建立的数量，可以用来指示[26]损伤。所有的特征构成一个特征向量，定义为

(16)

其中下标m为关节数。

3.桥的描述和实验研究

3.1。桥的描述。地狱桥测试竞技场是一个全尺寸、钢铆钉的铁路桁架桥，它已退出服务，并移动到陆地上的基础上，如图1所示。大桥宽4.5米，总跨度35米。它是SHM研究、损伤检测、桥梁检查和使用寿命估计的全尺寸实验室。图2显示了地狱桥试验场地主结构钢的简化3D模型。

桥面由与横梁(楼板梁)连接的纵桁组成。纵桁连接采用双角连接，并用铆钉机械紧固。这些节点被设计为剪力连接，将纵梁端部的力传递给梁。在这种连接[1]中，有两种常见的机制被报道:与桥面结构系统和主要承载结构之间的弯曲和忽略的相互作用相关的梁端旋转。这些机制是由变形诱发的二次效应引起的[11]疲劳开裂所产生的。在下面的章节中，纵桁连接既称为节点连接，也称为节点连接。

摘要地狱桥试验场地桥面结构体系中存在两种已知的节点损伤。这些损伤位于桥梁中间的一侧，这是在桥梁使用寿命的最初阶段进行的翻新。尽管进行了改造，但所有节点连接都具有相同的承载功能。在大桥运行期间的例行间隔检查中没有发现损坏。这些损伤最初是在桥退出使用前的一次测量活动中发现的，在那次测量中，只对选定的连接节点进行了应变测量。当桥梁在操作荷载作用下，其各自的主梁发生不必要的垂直运动，从而造成损伤。因此，其结果是严重降低了承载能力。

3.2。损伤诊断策略。一个可以正常工作但不再在理想状态下工作的结构被定义为受损结构[28]。在最基本的术语中，损伤定义为在结构体系中影响结构[18]性能的变化。这种变化可以发生在材料属性、几何形状、边界条件或结构系统的连接上。损伤状态的确定可以根据层次结构或层次来完成，其中增加的损伤状态知识以给定的层次顺序来表示。这些定义为(1)存在性，(2)局部化，(3)类型，(4)程度，(5)损伤预测[28,29]。

评估损失需要比较系统[30]的两种不同状态。在这项研究中，所有相关的节点连接被调查在桥梁桥面建立损伤。一个基线，代表正常和无损的条件，是建立从统计

图2:地狱桥试验场地主结构钢的简化3D模型。(a) 3D透视图，包括详细的桥梁部分。(b)垂直墙(顶部)和桥面平面图(底部)。

使用所有关节的参数。然后根据单个关节的结果与基线的比较来评估损伤。因此，通过将结果与名义上相同的连接进行比较，并利用仪器设置进行本地化，可以识别出损坏的连接。

3.3。实验研究。在实验研究中建立了仪器装置和系统的监测程序。传感器被对称地放置在碰撞位置，以有效地评估关节连接。图3显示了需要调查的桥梁接头和整个桥面仪表的概况，包括所有传感器和冲击位置。

使用32个传感器位置(记为S01-S32)和9个冲击位置(记为X1-X9)，在桥面几何中心附近进行了对称的仪器设置。传感器和撞击位置都可以从桥面进入。共有64个关节，标记为J01-J64，利用仪器设置进行评估。这包括来自X2-X8的每个冲击位置的8个关节，以及每个冲击位置X1和X9的4个关节。已知损坏的桥面关节标记为J29和J31。桥的几何中心与撞击位置X5重合。

测试使用16个迪特兰 3583BT三轴加速度计和一个PCB大撬模态冲击锤(型号086D50)。加速度计安装在纵桁的跨中。数据采集使用的是美国国家仪器公司(National Instruments)的紧凑型 9036，具有8个输入模块(型号9234 C系列声音和振动)，采样频率为2048hz。至少有系统地在预先确定的影响地点诱发了5次影响。为了获得强的瞬态信号，测试使用了硬塑料锤头(型号084A32)，该锤头给出了高频激励。测量仅记录在z方向上。时间序列的预处理主要包括三个步骤:首先，考虑传感器的灵敏度;其次，利用每个信号的峰值对时间序列进行同步优化，然后裁剪到所需的长度;最后，通过去除信号的趋势来去除线性趋势。从预处理的结果来看，每个记录都是一个1.0 s的时间序列，其中在冲击之前记录0.1 s，在冲击之后记录0.9 s。要应用的传感器数量并不是非常重要的。该方法允许只使用一个传感器作为最低限度。通过将传感器移动到预先定义的传感器位置进行重复测试，可以获得所需的测量值。但是，为了减少影响的数量，建议最少8个传感器。这种设置也确保使用相同的输入分析最大的关节数，这增加了结果的准确性。

利用仪器设置的对称性和系统的监测程序，可以建立加速度响应测量与最少的传感器和影响。这种方法提供了信号在时域的传递率信息，其中传递率代表了从撞击位置到被评估关节的信号。

4.结果

<p

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

资料编号：[605845]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word