悬挂式单轨桥墩模型高强螺栓松动损伤监测研究

作     者：方鳞 

作者单位：长沙理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋田勇;郭棋武

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：压电陶瓷 高强螺栓 BP神经网络 结构损伤监测 悬挂式单轨桥墩 

摘      要：近年来,随着城市化进程的快速推进,城市轨道交通也得到了高速发展。悬挂式单轨作为一种新型的城市轨道交通,也逐渐出现在大家的视野中。悬挂式单轨桥墩通过高强螺栓与基础相连,随着服役期的加长,加上桥墩本身受疲劳荷载、冲击荷载和震动等影响,难免会出现高强螺栓松动和断裂等现象,从而导致桥墩发生倾覆甚至崩塌。为了避免这种情况的出现,对悬挂式单轨桥墩高强螺栓松动损伤进行监测具有十分重要的意义。因此,为了对悬挂式单轨桥墩的安全服役保驾护航,本文进行了悬挂式单轨桥墩模型高强螺栓松动损伤监测研究,主要研究工作如下:(1)制作了悬挂式单轨桥墩缩尺模型,在桥墩模型底座钢板粘贴了压电陶瓷片,并在混凝土基座中预埋了压电智能骨料,采用压电波动法对桥墩模型高强螺栓松动损伤进行了试验监测研究。研究结果表明,随着高强螺栓松动个数和外荷载的增加,时域幅值、频域幅值和小波包能量幅值逐渐减小;距离高强螺栓越近的压电陶瓷对螺栓松动越为敏感;在高强螺栓松动工况相同的条件下,改变外荷载对不同位置处压电陶瓷接收到的小波包能量值影响不同。同时,当外荷载增大到一定数值时,小波包能量值下降缓慢。试验结果验证了压电波动法监测高强螺栓松动损伤的可行性。(2)在压电波动法试验研究的基础上,结合小波包能量分解理论,提取小波包能量损伤特征量,搭建了 BP神经网络,利用BP神经网络有效的对高强螺栓松动损伤进行了识别。同时,研究了传感器数目、损伤特征量处理方法和噪声对识别结果的影响。研究表明,多传感器归一化的小波包节点能量损失率搭建的BP神经网络能够更好地对高强螺栓松动损伤进行识别,并且具有较好的抗噪性。(3)采用ANSYS软件进行了压电阻抗法监测高强螺栓松动损伤的数值模拟。通过分析其导纳曲线的偏移和损伤指标的变化能够有效识别高强螺栓松动。数值模拟结果表明,导纳曲线会随着高强螺栓的松动而向上偏移,并且随着荷载的增大而减小其偏移幅度;电纳损伤指标位置敏感性和损伤敏感性都要优于电导损伤指标。验证了基于压电阻抗法的高强螺栓松动损伤监测数值模拟的可行性及有效性。