Z24桥阻尼比长期变化影响因素及影响规律.pdf
《Z24桥阻尼比长期变化影响因素及影响规律.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Z24桥阻尼比长期变化影响因素及影响规律.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、振动与冲击第42 卷第14期JOURNAL OFVIBRATIONAND SHOCKVol.42 No.14 2023Z24 桥阻尼比长期变化影响因素及影响规律尚志强2,夏烨”,孙利民3.4.5,辛公锋12(1.山东高速集团有限公司创新研究院,济南2 50 10 2;2.山东省高速公路技术和安全评估省级重点实验室,济南2 50 10 2;3.同济大学土木工程学院,上海2 0 0 0 92;4.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海2 0 0 0 92;5.上海期智研究院,上海2 0 0 2 32)摘要:为研究Z24桥阻尼比长期变化的影响因素及影响规律,首先利用该桥长期监测数据,采用加速度时间
2、序列语义分割获取了大量的加速度自由衰减响应,由指数衰减法得到了为期约10 个月的一阶阻尼比识别结果;然后分析结构温度、振动剧烈程度、结构损伤对阻尼比的影响规律。结果表明:Z24桥一阶阻尼比与结构温度具有极强的相关性,0 以下时段,阻尼比随结构温度降低呈先增大后减小的非线性变化;0 以上时段,阻尼比随结构温度升高而线性减小,二者相关系数最高可达0.98;环境激励(桥下通行车辆)与重物坠落激励下,阻尼比受振动剧烈程度的影响均无明显规律可循;阻尼比对各种结构损伤的存在与否亦无确切的指示性作用,由阻尼比获取更有效的损伤特征仍有待于进一步的研究。上述因素的影响规律应在结构振动控制设计、损伤识别等阻尼比应
3、用场景中得到考虑,以提升结果的合理性与可靠性。关键词:Z24桥;桥梁结构健康监测;指数衰减法;阻尼比;影响因素中图分类号:U446文献标志码:AD0I:10.13465/ki.jvs.2023.14.034Long-term characteristics of damping ratio of the Z24 bridge influenced by different factorsSHANG Zhigiang,IA Ye,SUN Liminas,XIN Congfeng.(1.Shandong Hi-Speed Group Innovation Research Institute,Ji
4、nan 250102,China;2.Shandong Key Laboratory of HighwayTechnology and Safety Assessment,Jinan 250102,China;3.College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;4.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;5.Shanghai Qizhi I
5、nstitute,Shanghai 200232,China)Abstract:To investigate the long-term characteristics of damping ratio of the Z24 bridge influenced by differentfactors,a time series semantic segmentation method was introduced to extract free attenuation data segments frommonitored accelerations of the Z24 bridge.The
6、n,the data of about 10-month damping ratio of 1st vibration mode werecalculated using exponential attenuation method.Based on the calculated damping ratio,the influences of three factorsincluding temperature,vibration intensity,and structural damage were analyzed.The results show that there exists a
7、strong correlation between the damping ratio of the Z24 bridge and temperature variation.Specifically,the damping ratioexhibits an increasing trend followed by a decreasing trend after the temperature drops below O C,while the damping ratioexhibits a linearly decreasing trend after the temperature g
8、oes beyond o C,and that the correlation coefficient evenreaches 0.98.The vibration intensity presents lttle impact on the damping ratio under the simultaneous action ofexcitations:vehicles passing below the bridge and dropping weight on the bridge.The structural damage also exhibits verylimited infl
9、uence on the damping ratio,thus further investigation is still required in the future to obtain effective damagefeatures based on the identified damping ratio.The influences of the above factors should be considered in damping ratio-related applications including structural control and damage detect
10、ion to achieve reasonable and reliable results.Key words:Z24 bridge;bridge structural health monitoring;exponential attenuation method;damping ratio;influencingfactor基金项目:国家重点研发计划(2 0 19YFB1600702);国家自然科学基金(52 2 7 8 313);山东省交通运输厅科技项目(2 0 2 1B51)收稿日期:2 0 2 2-0 8-0 9 修改稿收到日期:2 0 2 2-11-0 4第一作者尚志强男,博士,
11、工程师,198 9年生通信作者孙利民男,博士,教授,196 3年生阻尼比是桥梁结构基本的动力参数之一,可表征动力荷载作用下的能量耗散能力,会直接影响动力分析的计算结果。据有关研究 1-2 ,阻尼比还可用来反映结构损伤的存在状态。不过,这两类应用中,正常桥288梁的阻尼比均被假定为恒定值,如JTG/T2231-01一2020公路桥梁抗震设计规范 3、JTG/T3360-01一2018公路桥梁抗风设计规范 4 会视结构材料、激励形式的不同将阻尼比设为0.0 0 30.0 5的某一定值;现行JTG/TJ21-012015桥梁荷载试验规程 5 也指出:阻尼比可以通过与历史数据对比,粗略判断桥梁的技术状
12、况是否出现劣化。事实上,实际桥梁的阻尼来源复杂,会受多种因素的影响,阻尼比不可能保持不变。规范建议值与实际的差异将可能导致动力分析中对动力响应的错误估计;比较实测阻尼比与历史数据来评价桥梁技术状况时,会因不同时期未知影响因素的存在难以得到可靠的评价结果。可见,当下对阻尼比有限的理解已经制约了其在实际应用中的合理性,因而有必要准确认知阻尼比长期变化的影响因素及影响规律。国内外已由桥梁动力测试对阻尼比的影响因素开展了较多研究。如Li等 6 使用半功率带宽法计算了国内114座桥梁的阻尼比,发现影响特定桥梁阻尼比变化的主要因素有激励形式、环境温度、计算方法、加固历史等。不同激励形式会使结构具有不一样的
13、振动剧烈程度,振动剧烈时阻尼比会因支座或连接处的摩擦、几何非线性、桩土作用、结构损伤等而有所增大 7 。Gomez 等 8 计算了某曲线连续梁桥在6 次地震激励下的阻尼比,发现结构振动越剧烈阻尼比越大,最大可达5%7%。除此之外,李湛等 9-的研究也均对不同激励下桥梁阻尼比随振幅增大的现象有所确认。不过,也有研究得到振动剧烈时阻尼比更小的结论。环境温度是影响阻尼比变化的另一因素。例如,Zhang等 12 观测了某斜拉桥在2 4 h内的阻尼比,虽发现桥面加速度均方根值大于特定值时阻尼比明显增大,但测试时段内环境温度变化的影响并未得到认知。李湛等由某悬索桥2 4h的动力测试结果则发现,阻尼比会随温
14、度的升高而逐渐变大。由于上述研究均基于短期动力测试,各因素的影响规律并不能得到合理认知。桥梁结构健康监测(s t r u c t u r a l h e a lt h m o n i t o r i n g,SH M)系统采集的海量数据为解决这一问题提供了数据基础。Magalhaes 等 13计算了某混凝土拱桥11月份的阻尼比并平均至一天的尺度上,发现当加速度均方根值较大时,早高峰时段阻尼比会出现一个峰值而晚高峰时段则没有明显增大,这被解释为桥端红绿灯使早高峰时段桥上车辆堵塞及车桥耦合作用引起;而温度作用对阻尼比并无明显的影响规律。Hwang等 14 将某双幅斜拉桥2.5年的加速度监测数据重构
15、为位移,进而利用特征系统实现法(eigensystem realization algorithm,ERA)计算了阻尼比,由其月平均值发现温度较低时阻尼比更大,且因振动更为剧烈,白天时段的阻尼比要较夜间更大。Li等振动与冲击对三座大跨径桥梁约十年的监测数据,利用半功率带宽法计算了阻尼比的年平均值,发现结构服役年限及加固措施对阻尼比的影响并无一致性的显著规律。由环境激励下的监测数据识别的阻尼比往往呈现较强的离散性,因而上述研究需进一步计算阻尼比均值,阻尼比的影响因素仍不能得到有效分析。阻尼比识别结果中的离散性主要与使用的计算方法有关。当前常用的算法包括指数衰减法、半功率带宽法、随机子空间法(st
16、ochastic subspace identifiation,SSI)15、ERA、H i l b e r t-H u a n g 变换 16 。在利用监测数据计算阻尼比时,这些算法各有不足。例如,半功率带宽法在外部激励无法观测的情况下会产生较大误差;SSI和ERA须假定环境激励为白噪声,与实际情况并不相同;Hil-bert-Huang变换是基于经验的方法,本身存在一些问题。普遍认为,指数衰减法所计算的阻尼比要更为准确、可靠。指数衰减法的前提是存在自由衰减的动力响应,而桥梁SHM数据中实际上也存在自由衰减响应。对高速公路上的中、小跨径桥梁,会存在较多单车过桥的荷载工况,因此可形成大样本的自由
17、衰减响应数据供指数衰减法使用。然而,SHM数据中的自由衰减响应会具有不同的时长及变化形式,在海量监测数据下,手动筛选可用的自由衰减响应将极为耗时费力,绝非人力所及。本文基于Z24桥这一实桥benchmark模型的长期监测数据,使用了一种可以提取加速度自由衰减响应的时间序列语义分割方法,在此基础上由指数衰减法可实现对一阶振动模态阻尼比更为可靠的计算,进而对包括振动剧烈程度、结构温度、结构损伤在内的阻尼比影响因素进行了分析。研究结果揭示了各影响因素对Z24桥一阶阻尼比的影响规律,可为相关设计规范中阻尼比的建议值设定及由阻尼比评价桥梁技术状况时的观测与使用方式提供工程案例参考。1基于指数衰减法的阻尼
18、比计算1.1基于语义分割的自由衰减段提取1.1.1 工程背景Z24桥 17-19 建成于196 3年,是位于瑞士的一座三跨预应力混凝土连续箱梁桥,箱梁宽8.6 m,高1.1m,采用单箱双室截面形式。箱梁三个腹板内分别配置有两束预应力筋。该桥主跨30 m,两边跨均为14m,每边跨桥台处有三个混凝土桥墩,通过铰支座与上部主梁连接,中间两个混凝土桥墩与主梁固结。更为具体的桥梁参数可见于文献。该桥于1998 年拆除重建,拆除前开展了为期约10 个月的长期监测,并构造了多种损伤工况,因此成为 SHM领域广为所知的实桥bench-mark。Z2 4桥的监测项包括温度、风等49项环境参数;2023年第42
19、卷第14期结构竖向动力响应由9个梁部加速度计观测得到,采样频率为10 0 Hz,以5#加速度计数据质量最好,是本文后续研究所使用的数据来源。各加速度计每小时采样时长为11min,可采集6 5536 个数据点。+Utzenstorf2.70+14.00-图 Z24 桥立面图 2 0-2 Fig.1The longitudinal ection of Z24 bridge20-2 北VOL0510160615南图2 加速度传感器布置图Fig.2 The position and direction of accelerometers1.1.2自由衰减响应提取Z24桥桥上虽在长期监测期间没有车辆通行
20、,但桥下高速公路上的车辆会对该桥施加外部激励,产生大量自由衰减响应。识别相应数据段本质上是针对时间序列的模式识别问题 2 3,此处通过引入计算机视觉中的语义分割方法 2 4-2 5 处理,以判断每一数据点是否属于自由衰减响应。具体包括以下步骤:(a)加速度语义分割数据集构建。即选取有限的加速度监测数据,对衰减响应所在的时段进行标注。待标注的监测数据多取自车辆稀疏的夜间时段,代表性的标注示例如图3所示。02F0305/1997-11-20362尚志强等:Z24桥阻尼比长期变化影响因素及影响规律10Koppigen-02:1402:1802:2202:2602:3030.00-14.00-1.10
21、To Berm 4.50To ZurichZurich090813Bem2289律,此处将不过多介绍该模型,具体细节可参考文献 2 7 。21.0005:0405:0805:1205:1605:202.70时刻(a)1.00.5005:5105:5505:5906:0306:0707122时刻(b)31.00.50-0.508:13时刻(c)24Su/008:2408:2808:3208:36时刻(e)图4被标注的自由衰减响应段(局部放大)Fig.4 The labeled attenuation segments(Magnified)(c)未标注监测数据中的自由衰减响应识别。由训练好的模型识
22、别剩余加速度数据中的自由衰减响应。由图5可知,即便在通行车辆较多的清晨时段,模型仍能定位出不具有完整衰减形状的自由衰减段;但在桥下车辆密集的白天时段,可识别的自由衰减段会非常有限。05C2105/1997-12-08u/p正常数据衰减响应408:1708:21时刻(d)52008:3908:4308:4708:5108:5508:59正常段衰减段6时刻(f)21:02 21:0321:04 21:0521:0621:0721:08 21:0921:1021:1121:120一1-203:02 03:03 03:04 03:05 03:06 03:07 03:08 03:09 03:10 03:
23、11 03:12Fig.3The labeled attenuation segments放大图3中的部分自由衰减段如图4所示,结合频域分析与Z24桥相关研究可知,这些响应段都属于一阶竖弯模态,衰减形状较为理想,能够保证后续由指数衰减法计算的阻尼比具有较高的可靠性。(b)加速度时间序列语义分割模型构建。此处以计算机视觉中广泛使用的U-net26神经网络为基础模型,在改进的基础上构建可识别自由衰减响应的语义分割模型。因本文重点是分析各因素对阻尼比的影响规时刻图5改进U-net识别到的自由衰减段Fig.5 Attenuation segments recognized by adapted时刻U-
24、net model图3Z24标注的自由衰减响应段1.22基于指数衰减法的阻尼比计算由语义分割可从Z24桥监测数据中识别到35316条自由衰减段。为消除衰减段尾部可能存在的高频噪声,提取衰减段前先逐小时对加速度数据作 0,5 Hz的低通滤波。虽然原始数据中的绝大部分衰减段属于一阶振动模态,也仍有少量衰减段可能混人其他阶振动成分;低通滤波后,这些衰减段将仅含一阶振动成分。因此,后文计算的阻尼比实际指一阶竖弯模态阻尼比。由时间索引从整体滤波后的数据中提取出衰减段290后,通过去趋势项、去均值纠正其可能的整体偏移。然后,获取衰减段各波峰处的幅值;因第一振动周期有时出现振荡,初始的波峰将舍弃不用。按结构
25、动力学 2 8 ,根据式(1)可由间隔m个周期的波峰u,和n+m求得对数衰减率S;由U和un+m表示的对数衰减率又与阻尼比的表达式有式(2)的对应关系。由此,阻尼比可在求出后按式(3)计算。此处,为提升阻尼比计算结果的稳定性,8 将通过对所有可用波峰值的自然对数作线性回归,并提取回归线的斜率获取。(1)8=-mUn+m2元mVn+mV1-$=/4元+8为说明滤波对计算结果的影响,图6、图7 示例了滤波前后的某自由衰减段,图8 为相应的自然对数拟合图。可见,滤波前衰减段尾部存在的高频噪声会使波峰自然对数与拟合线产生较大偏离;滤波后偏离情况则得到明显改善。尽管如此,滤波后的衰减段尾部仍可能存在未知
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Z24 阻尼 长期 变化 影响 因素 规律
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。