荷载作用支座转角差的梁结构单损伤识别方法

本发明涉及梁结构损伤检测，特别涉及一种荷载作用支座转角差的梁结构单损伤别方法。

背景技术：

1、既有桥梁很多已不能满足功能性需求，桥梁断裂、坍塌等安全事故时有发生，土木工程领域学者逐渐意识到对桥梁结构进行健康监测和安全评估的重要性，并研究了各种损伤识别技术。结构损伤识别是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分，目前主要有两大类损伤识别方法，一类是基于动力参数的损伤识别方法，主要通过结构模态(振动频率和振型)的变化判断结构损伤，此类方法对测点数量、传感器测量精度、模态参数识别方法等要求较高。另一类方法是基于静力参数的损伤识别方法，基于静力参数的结构损伤识别方法可有效避免质量、特别是阻尼等的不确定性影响，同时由于目前测量设备和技术已先进成熟，用较低成本即可得到结构相当准确的测量值，因此，基于静力参数的结构损伤识别技术受到广泛的研究。

2、基于静力参数的结构损伤识别技术研究较多的指标为挠度、静力应变以及支座反力指标等，随着智能支座技术的发展，损伤前后结构转角的变化有望应用于梁结构损伤识别中，目前，鲜见将支座反力和转角结合并应用于结构损伤识别领域的相关文献报道。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、成本低的荷载作用支座转角差的梁结构单损伤识别方法。

2、本发明解决上述问题的技术方案是：一种荷载作用支座转角差的梁结构单损伤识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

3、（1）对损伤前后的梁结构逐跨施加荷载，（a）对于简支梁，获得梁结构损伤前后2个支座的支座转角实测值；（b）对于三跨及以上的连续梁，获得梁结构损伤前后各支座的支座转角实测值和支座反力实测值；（c）对于两跨连续梁，获得梁结构损伤前后3个支座的支座转角实测值，支座反力实测值可根据实际情况，测量或不测量均可；

4、（2）通过结构损伤前的支座转角实测值和支座反力实测值，求得梁结构损伤前的刚度ei；

5、（3）确定损伤所在跨数，（a）对于简支梁，仅有一跨，损伤位于该跨；（b）对于连续梁，通过结构损伤前后的支座转角实测值计算支座转角实测值相对差值，确定损伤所在跨数；

6、（4）通过结构损伤后的支座转角实测值和支座反力实测值，识别梁结构的损伤位置和损伤程度；假设梁结构的损伤长度已知，长度为y，损伤位置和损伤程度未知，损伤位置距左端支座为a，损伤处的刚度为zei，损伤程度为1-z；（a）对于简支梁，通过结构损伤后的2个支座转角实测值与计算值相等，列两个支座转角方程，组成一个方程组，求解出损伤位置a和损伤刚度zei；

7、（b）对于连续梁，任选损伤所在跨左侧和右侧各一个支座的支座转角实测值，取简支梁基本结构，对未测量支座反力的两跨连续梁，采用力法或位移法计算支座反力值，对其他情况连续梁，支座反力值采用支座反力实测值，用支座反力值代替支座，获得支座转角计算值，由支座转角实测值与计算值相等列两个方程组，求解出损伤位置a和损伤刚度zei。

8、具体的，步骤（1）中，根据需要获得结构损伤前后的支座转角实测值向量和支座反力实测值向量：

9、；

10、；

11、；

12、；

13、其中，、分别为n跨梁荷载作用于第i跨结构损伤前后支座j的实测转角，上标n表示梁的跨数，下标表示荷载作用于第i跨，下标j表示支座j，u表示结构损伤前，d表示结构损伤后；、分别为n跨梁荷载作用于第i跨结构损伤前后支座j的实测反力。

14、具体的，步骤（2）中，求得结构损伤前的刚度ei：

15、由积分法可以得到：

16、；

17、其中，为n跨梁荷载作用于第i跨结构损伤前支座j的转角计算值； 为梁结构总长；为n跨梁第j个支座处施加单位力偶的弯矩；为n跨梁荷载作用于第i跨时的弯矩；

18、代入转角实测值数据可以求得结构损伤前的刚度ei；

19、。

20、具体的，步骤（3）中，支座损伤前后转角实测值相对差值为：

21、；

22、当相邻支座转角实测值相对差值相等时，损伤不位于此跨，即当时，损伤不在第j跨，考虑荷载作用于各跨的情况，综合确定损伤所在跨数。

23、具体的，步骤（4）中，可以得到两个关于转角的方程为：

24、对于简支梁：

25、；

26、；

27、对于两跨连续梁，测得支座反力实测值时：

28、；

29、其中，假定已确定损伤位于第一跨，荷载作用于第二跨；为荷载作用于n跨梁第i跨对应的简支梁基本结构的弯矩；为荷载作用于n跨梁第i跨时支座j的反力计算值，为单位竖向荷载作用于n跨梁第j支座对应的简支梁基本结构的弯矩；

30、将支座反力实测值代入公式即可求解：

31、；

32、；

33、对于两跨连续梁，不测支座反力实测值时：

34、通过力法方程先求解出x，其它步骤同上：

35、；

36、；

37、；

38、；

39、其中，是由单位力x产生的沿x方向的位移，称为柔度系数；x是单位力；是由荷载产生沿x方向的位移；

40、对于三跨及以上连续梁：

41、；；

42、其中假定已通过步骤（3）确定损伤位于第m跨，使用支座m和支座m+1进行求解；

43、方程组有a、y和z三个未知数，ei已通过步骤（2）求得，而y又假定为已知，故两个方程两个未知数，可以求解出a和z。

44、具体的，步骤（4）中，若梁结构截面为变截面，则惯性矩为变量，方法依旧适用。

45、具体的，若损伤位置位于反弯点，即弯矩零点处，可能出现求解精度差的问题，更换一种荷载工况使损伤位置不位于反弯点附近，可以进行准确求解。

46、具体的，步骤（4）中，梁结构的损伤长度y可取损伤跨跨度的1/50~1/4；求解方程组时损伤位置a的初始值的选取，在确定损伤所在跨数后，一般取该跨的起始位置至不超过中跨处。

47、具体的，步骤（4）中，基本结构也可取伸臂梁结构。

48、具体的，步骤（4）中，若损伤位于第m跨，选取m和m+1的支座转角列方程组抗噪性会更好。

49、本发明的有益效果在于：本发明对损伤前后的梁结构施加荷载，得到相应状态下梁结构各支座的支座转角实测值，连续梁还需获得损伤前后的支座反力实测值，两跨连续梁的支座反力值也可由计算得到；通过损伤前的信息求得梁结构的抗弯刚度；连续梁的识别还需通过结构损伤前后支座转角实测值相对差值，确定出损伤所在跨数，同时建立了由结构损伤处左右各一个支座转角组成的方程组，由转角方程组求解出损伤位置和损伤程度。总结并提出了n跨连续梁的求解思路，通过简支梁、两跨不等跨连续梁、五跨连续梁算例，验证了转角差指标在梁结构单损伤识别中的应用价值，为梁结构损伤定位与定量提供了一种有效的新方法。