基于时间序列分析的桥梁损伤识别研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 3.43MB 68 页 15积分

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摘要

随着高速铁路的不断发展，作为重要组成部分的桥梁，其安全稳定性越来受

到广泛关注。高速列车通过桥梁时会发生车桥共振，因此在车桥共振环境激励下

的桥梁损伤识别研究已成为当前热点。本文以 32m 标准跨度预应力混凝土简支箱

梁为研究对象，通过数值模拟、模型实验，研究了用时间序列方法识别箱梁损伤

的适应性、可行性、可靠性。

在总结了高速铁路和车桥共振理论的发展历程、研究现状和桥梁损伤识别常

见方法的基础上，依据时间序列理论和时间序列建模方法，利用 MATLAB 工具，

自编了基于时间序列模型进行桥梁损伤识别的计算程序。

利用 ANSYS 有限元软件和上述的自编计算程序，完成了车桥共振环境下桥梁

损伤识别的数值模拟分析。外部激励以高速铁路中广泛使用的 CRH2 型动车组为

例，简化为匀速移动外部激励；桥梁损伤通过折减相应单元的刚度来模拟；用

ANSYS 进行桥梁动力模拟；从动力模拟计算结果中提取不同损伤工况下桥梁的动

力响应加速度数据，运用自编的 MATLAB 程序建立时间序列模型并进行损伤识别

分析，结果从理论上证明了时间序列方法用于桥梁损伤识别的实用可行性。

为了验证上述理论结果，进行了实体模型实验验证。实验模型为按 1：5比例

缩小后浇筑的一现役高速铁路预应力简支箱梁，钢筋骨架绑扎完毕后采用 C50 细

骨料混凝土浇筑成长 6.32m，宽 0.61m，高 1.52m 的箱梁模型；实验时使用反力架

对实验模型进行加载破坏，通过安装的位移计、应变片观察模型箱梁在 10t—120t

之间十个荷载等级下损伤程度的发展状况；根据不同荷载等级下箱梁出现的裂缝

对损伤程度进行初步判断；在加载过程中以模型箱梁八分点位置安装加速度传感

器来获取不同损伤阶段的动力特征信息，运用自编的 MATLAB 计算程序对加速度

数据建立时间序列模型并进行损伤识别分析，结果表明时间序列方法可以较好地

识别出试验模型箱梁损伤的存在。



关键词：混凝土箱梁车桥共振损伤识别时间序列有限元

分析

ABSTRACT

With the continuous development of high-speed railway, the bridge as an

important component of high-speed railway, its security and stability has received

extensive attention. When high-speed train passing through the bridge, it will lead to the

bridge-vehicle resonance. So the bridge damage identification research under the

condition of bridge-vehicle resonance has become the current active field. This paper

regarded the 32m standard span prestressed concrete simply supported box beam as the

study object. Based on numerical simulation and model test, the adaptability, feasibility,

reliability of using time series method to identify the damage of box beam had been

studied.

In this paper, the high speed railway, the development process and current situation

of the bridge-vehicle resonance theory course, the common method of bridge damage

identification had been summarized. According to the theory of time series and time

series modeling method, the mathematical tools software MATLAB was used to edit an

identify damage program which rely on time series model.

The ANSYS finite element software and edited calculation program were used to

complete the numerical simulation analysis of bridge damage identification under

bridge-vehicle resonance environment. The CRH2 high speed railway train which has

been widely used currently was regarded as the example. Simplified the train as an

external incentive with certain speed. During used the method of reducing the element

stiffness, the damage of box beam can be simulated. Analog the beam dynamic by

ANSYS. The bridge dynamic response acceleration data were extracted in the different

conditions of damage. After the edited MATLAB program were used to establish a time

series model and to analyze the damage identification, the theory of time series method

was proved feasible and adaptable.

In order to verify the theoretical results, a solid model was tested in experiment. A

service of high-speed railway prestressed concrete simply supported box beam were

scaled in an experiment, the similar ratio between specimen and actual box beam was

1:5. After steel skeleton lashed, C50 fine aggregate concrete is used to make the box

beam model , its length was 6.32m, width was 0.61m, height was 1.52m. Loading on

the scale model of box girder by reaction frame. During installed displacement meter

and strain gages, the development of model damage degree can be observed under 10t

to 120t ten different load grades. The damage degree of box girder under different load

levels can be judged preliminarily by the crack in the bottom slab of box girder. Located

the acceleration sensors in eight points of box girder dividing the length of the box

girder into eight parts averagely. The dynamic characteristic information on the

different damage stages were obtained by acceleration sensors in the loading process.

Then MATLAB edited program were used to establish time series model and to analyze

the damage identification. The results show that the time series method can be used to

identify the damage existence of experiment box beam.

Key Word：Concrete box girder，Bridge-vehicle resonance，Damage

Identification，Time series，Finite element analysis

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................1

1.1 高速铁路的发展 .............................................1

1.2 高速铁路桥梁的特点 .........................................2

1.3 车桥共振研究的回顾 .........................................4

1.3.1 实桥试验研究 ..........................................4

1.3.2 理论研究的发展 ........................................4

1.4 车桥共振研究的当前现状 .....................................6

1.4.1 桥梁模型 ..............................................6

1.4.2 列车模型 ..............................................7

1.4.3 桥梁模型数值模拟计算方法 ..............................9

1.5 桥梁损伤识别的方法研究 ....................................10

1.6 存在的问题及发展方向 ......................................12

1.7 本文主要研究内容 ..........................................13

第二章时间序列和有限元模型分析 .................................14

2.1 时间序列分析的基本思想 ....................................14

2.2 ARMA 模型的特性 ............................................15

2.2.1 平稳性 ...............................................15

2.2.2 可逆性 ...............................................16

2.2.3 自相关函数 ...........................................16

2.2.4 偏自相关函数 .........................................20

2.3 32m 箱梁车桥共振模拟有限元分析 .............................21

2.3.1 箱梁自振特性分析 ......................................22

2.3.2 车辆过桥时的桥梁动力响应 ..............................23

2.3.3 基于时间序列分析的箱梁模型损伤识别 ....................27

第三章试件设计和实验过程 .......................................34

3.1 概述 ......................................................34

3.2 箱梁设计 ..................................................35

3.2.1 原型箱梁的选择 ........................................35

3.2.2 模型箱梁概况 ..........................................36

3.3 模型箱梁试验方案 ..........................................39

3.3.1 模型箱梁制作与试验准备 ................................39

3.3.2 试验加载程序与试验步骤 ................................42

3.4 本章小结 ..................................................45

第四章预应力混凝土模型箱梁试验结果与分析 .......................46

4.1 试验破坏现象 ..............................................46

4.2 基于时间序列分析的桥梁损伤研究 ............................52

4.3 本章小结 ..................................................56

第五章结论与展望 ...............................................57

5.1 结论 ......................................................57

5.2 展望 ......................................................58

参考文献 ........................................................59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................64

致谢 ............................................................65

第一章绪论

1.1 高速铁路的发展

铁路自近代以来由于其运量大、运耗低，一直作为路上主要运输方式。但其

间随着高速公路和航空运输的快速发展，也曾经受着巨大的挑战。二十世纪六十

年代，日本高速铁路新干线的出现为铁路发展带来了转机[1]。在随后的时间里，中

国、日本、德国等大力发展高速铁路，为各自的经济发展提供了强劲动力。

日本的新干线在几十年运行中达到了铁路从未有过的负荷。日本目前把建设

高速铁路的目标定位于满足国土开发而不是简简单单的运输需求[2]。为了促进整体

经济均衡发展，防止今后发展过于集中的现象出现，日本总共规划了全长达到

6900km的高速铁路网，并同时提高现有高速铁路中列车的运行时速。

20 世纪七十年代德国开始制定和实施了高速铁路计划。为了建成便捷的高速

铁路网，以柏林、曼海姆、斯图加特等城市为主要站点，到本世纪初总共有一千

多公里的线路投入运营，大部分线路均已按设计时速高速运行。

法国于 20 世纪六七十年代开始修建第一条高速铁路——TGV 东南线。至今为

止已经建成了由 TGV—东南线、TGV—大西洋线、TGV—北线以及联系它们之间

的TGV—联络线组成的高速铁路网，同时计划修建东部高速铁路、大南方高速铁

路、地中海高速铁路以及巴黎大区南部互联网。这些线路将成为法国的高速铁路

网，也是欧洲高速铁路的核心。

意大利和西班牙在九十年代开始修建本国的高铁网，西班牙于 1992 年建成了

运行时速达到 270 km/h 的马德里—塞维利亚高速铁路线，并将计划再修建向北进

入法国联接欧洲的高铁网的联络线。意大利在 1990 年建成了总长 236 km 的罗马

—佛罗伦萨高速铁路，运行时速 270 km/h，政府还将计划修建横连东西，纵观南

北全长达 1187 km 的全国高速铁路网。

美国在二十世纪末为了联系华盛顿、纽约、迈阿密等重要城市开始修建了数

千公里的高速铁路，新的修建计划仍还在进行。

我国从改革开放三十年来，社会经济等各方面取得飞速发展，原有普通铁路

早已不能满足高效率的发展节奏，越来越显现出对于社会人力物资流通的阻碍作

用。因此普通铁路已不能适应市场经济的发展需要，迫切要求我国铁路建设者抓

住世界铁路技术发展所带来的机遇。到二十一世纪初为止，在党和人民的始终支

持下，建设者们面对挑战，抓着机遇，结合原有和新建线路建成了以“四横四纵”

客运专线为主总长达到 7431km 的高速铁路网（见表 1-1），使我国的铁路事业有了

质的飞跃，始终处于世界领先水平。

基于时间序列分析的桥梁损伤识别研究

表1-1 我国运营和在建的高铁线路

名称地区建设年代线路长度

（km）

线路时速

（km/h）

京津城际华北 2005~2008 120 300/350

武广客专华中、华南 2005~2009 1068 300

京石高铁华北 2005~2011 281 300

郑西高铁中西部 2005 ~2010 484 300/250

温福客专东南 2005~2009 321 250

哈大高铁东北 2007~2011 902 350

汉宜客专中西部 2012 年开通 291 250

京沪高铁东部 2008~2011 1318 300/350

广深港高铁华南 2015 年开通 145 300

沪杭高铁华东 2009~2010 160 350

哈大高铁东北 2012 年开通 921 200/300

1.2 高速铁路桥梁的特点

高速铁路运营中不仅要求速度快，还对运行安全舒适性具有一定要求，因此

应用于高速铁路的桥梁需要在修建时进行严格控制。高速铁路中的桥梁为了保证

乘坐的舒适性须保证轨道的平顺性，避免出现因挠度过大而导致承受高速列车很

大的冲击作用。除此之外，在高速铁路桥梁的建造和日后维护中，需要限制由不

均匀温差和预应力作用产生的结构变形，这些都对桥梁结构的整体性和刚度提出

了严格的要求。基于以上原因，在高速铁路桥梁的建造上要遵循以下原则：

（1）为了提高整体稳定性，采用双线整孔的桥梁线路形式。

（2）除部分小跨度桥梁外，采用整体刚度较大的单室箱型截面。

（3）增大梁高以提高桥梁承载力。

（4）选用如刚架、连续梁和斜拉桥等刚度较大的结构体系。

（5）宜采用跨度较小的桥梁保证轨道平顺性。

高速铁路桥梁的特点主要有以下几点[3]：

1. 桥梁所占比例大

为了保证列车高速安全通过，运行线路在改变方向时需要较大曲线半径，而

且对线路纵向坡度具有很高要求。因此较多地需要用桥梁结构来代替复杂的地势

环境(表1-2)。

表1-2 国外高速铁路桥梁所占比例

国家线路总长（km）桥梁总长（km）桥梁所占比例（%）

日本 1953 930 48

德国 603 46 8

韩国 411 135 33

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摘要：

摘要随着高速铁路的不断发展，作为重要组成部分的桥梁，其安全稳定性越来受到广泛关注。高速列车通过桥梁时会发生车桥共振，因此在车桥共振环境激励下的桥梁损伤识别研究已成为当前热点。本文以32m标准跨度预应力混凝土简支箱梁为研究对象，通过数值模拟、模型实验，研究了用时间序列方法识别箱梁损伤的适应性、可行性、可靠性。在总结了高速铁路和车桥共振理论的发展历程、研究现状和桥梁损伤识别常见方法的基础上，依据时间序列理论和时间序列建模方法，利用MATLAB工具，自编了基于时间序列模型进行桥梁损伤识别的计算程序。利用ANSYS有限元软件和上述的自编计算程序，完成了车桥共振环境下桥梁损伤识别的数值模拟分析。外部激励...

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