桥梁缆索声发射监测数值模拟与试验研究

拉索损伤是缆索承重体系桥梁的典型病害之一。为了将声发射技术运用于桥梁缆索健康监测中，本课题拟研究声发射信号在桥梁缆索中的传播特性这一关键问题。研究内容及成果如下： 1、声发射信号在多根钢丝间传播的有限元模型研究。基于Padé近似改进了实心圆杆频率方程的求解；推导了半解析有限元法框架并得到单根钢丝中导波的频率方程，讨论了材料阻尼和初拉力对信号传播特性的影响；基于半解析有限元框架建立圆杆受激励的瞬态响应计算模型；基于弹性体赫兹接触理论建立多根钢丝的半解析有限元模型，发现多根钢丝整体波导结构中出现了单根模态组合的新模态，在波数频率曲线上表现出明显的模态转换；在有限元软件中建立了单根钢丝和多根钢丝束的有限元数值模拟模型，分析发现单根钢丝中信号传播规律与理论解吻合，多根钢丝中出现了新模态，新模态能量会在激发钢丝和相邻钢丝间相互传递，总体上各钢丝能量有趋同的趋势。 2、声发射波形数据分析方法研究。基于切比雪夫多项式的改进二维傅立叶变换，将多点的时间空间域信号转换到频率波数域内，获得更细的频谱；提出根据频率波数曲线的多重模态滤波方法用于信号模态分离；提出基于时频分析的声发射互相关定位方法，可以确定信号间相干性最强的频率以及对应的时间延迟，再结合频散曲线可以确定信号源的位置。 3、有限元模拟结果的激光超声试验验证。开展声发射在单根钢丝和多根钢丝束中传播特性的激光超声试验，发现单根钢丝试验中信号的时频分布与理论时频曲线吻合良好，多根钢丝束试验中在“强耦合”条件下，多根钢丝出现了单根模态组合的新模态，在波数频率曲线上出现明显的模态转换；在“弱耦合”条件下，多根钢丝中新模态特征不明显，更加接近单根钢丝波动特性，相邻钢丝中的声波模态与中心钢丝相同。 4、声发射信号在整根拉索中的传播模型研究。开展了导波在拉索结构中的传播试验，建立了能量随传播距离的指数衰减模型，发现有张力索能量衰减因子为0.447，远小于无张力索。 2100433B

拉索损伤是缆索承重体系桥梁的典型病害之一。为了将声发射技术运用于桥梁缆索健康监测中，本课题拟研究声发射信号在桥梁缆索中的传播特性这一关键问题。首先，以声发射信号在单根钢丝中的传播为对象，以解析解验证有限元模拟方法，以此为基础建立声发射信号在多根钢丝中传播的精细化有限元模型；研究声发射信号的解耦方法，提出实用的波形特征分析方法；通过可以精准定量激励源的激光超声试验，验证声发射在桥梁缆索中传播的有限元模拟方法的准确性，并研究相关参数的影响；最后根据声发射信号在多根钢丝中传播的有限元模拟和激光超声试验结果，建立声发射信号在整根拉索中的传播模型。本课题的研究成果将为桥梁缆索声发射监测技术奠定理论基础，具有明确的工程应用价值。

在一般动力学、材料力学、一般有限元理论、构件试验的基础上，充分结合超大跨度缆索承重桥梁的特点，在满足工程精度要求的前提下，研究在强地震动场作用下超大跨度缆索承重桥梁地震破坏机制、地震破坏过程精细化数值模拟的可靠和高效的理论和方法，并研制相应的核心计算软件模块，为超大跨度缆索承重桥梁的抗震安全分析、抗震安全技术与措施的研究、建立相应的抗震设计准则提供有力的实用工具。重点解决的关键科学问题：（1）超大跨度缆索承重桥梁的关键连接构件的力学模型和参数的确定方法，建立专用的有限单元；（2）研究钢护筒与桩组合构件的力学模型和超大规模桥梁基础与土地震相互作用的集成非线性力学模型；（3）建立稳定、高效的钢筋混凝土非线性半弥散单元的力学模型和插值函数（3）提出或改进超大跨度缆索承重桥梁抗震振动阻尼模型及参数的确定方法；（4）在强地震动场作用下，桥梁结构的动力学方程的表达形式与可靠、高效的数值求解算法。 2100433B

针对缆索承重桥梁发展中缆索损伤识别及其可靠性评估研究不足的问题，采用理论分析、数值计算、试验研究和实际工程应用相结合的研究方法，利用先进的无线传感技术建立桥梁状态监测系统，实现数据自动化采集、远距离传输和智能化处理，逐步建立可用于缆索损伤识别及桥梁结构可靠度分析所需参数的数据库；提出基于kriging模型的缆索损伤识别方法，准确识别缆索损伤位置及损伤程度；提出新颖的改进响应面法计算评估损伤缆索的可靠度，通过敏感性分析以掌握参数对缆索损伤的影响；最后基于随机有限元法建立缆索损伤后全桥体系可靠度研究方法，评估缆索损伤后对桥梁承载力的影响及全桥的安全可靠性，提出切实可行的维修加固方案，确保桥梁继续安全运营。项目成果可为缆索承重桥梁及时调整或更换受损缆索提供依据，为桥梁可靠性评估提供依据，具有重要的理论意义和工程应用价值，且对于实现缆索寿命最大化、保证交通安全，也具有很高的经济效益和社会效益。