英语原文共 12 页
采用相对位移传感器对钢桁架桥梁节点状态进行健康监测
李军，洪浩
澳大利亚华盛顿州本特利肯特街科廷大学土木和机械工程学院基础设施监测和保护中心
摘要
本文研究了利用最新研制的相对位移传感器对钢桁架桥梁节点状态进行结构健康监测的可行性和有效性。所研制的相对位移传感器是一种新颖的设计，具有一些优点和独特的特点，由于其直接测量相对位移的简单性，不需要一个稳定的基准点，是一种更为简便、经济的结构健康监测方法。摘要为了研究将研制的相对位移传感器应用于结构节点状态监测的性能，在实验室中建立了钢桁架桥梁模型，并安装了相对位移传感器来检测节点的健康状况。摘要采用时频分析方法，即连续小波变换，对钢桁架桥梁在环境振动作用下的动力相对位移进行了分析。研究了传感器的灵敏度范围，考察了传感器对局部螺栓损伤的识别灵敏度。相对位移测量的钢桁架桥模型在自由振动测试的和受损状态也进行了分析,并基于百分比的变化的损伤指数的一个特定的小波包组件之间的总小波包能量损伤和破坏状态是用来检测存在松开螺栓损坏的钢桁架桥梁。实验研究表明，所研制的相对位移传感器对钢桁架桥梁的节点状态具有较好的识别和评估能力。
关键词:相对位移传感器结构健康监测接头状况，桁架桥梁环境振动自由振动
绪论
研究背景
结构健康监测的目的是在结构预期寿命的任何给定时刻对结构状态进行无损评估。对工程师来说，重要的是不能评估结构的完整性，以确保其安全运行。结构健康监测系统的一个主要考虑因素是系统在长期评估期间能够区分什么是结构的“正常”或“健康”行为，以防止出现“故障”状态。一个理想的结构健康监测系统应该能够在早期发现和定位损伤。民用和交通运输业的基础设施正在迅速老化，而现代交通流量和需求的增加又加速了老化的速度，这对服务造成的压力超过了最初的设计。重要的是要改进现有的方法和工具，以实现理想的系统，新的开发将增强结构功能，增加可靠性和安全性，降低维护成本，并提高结构的使用寿命。
钢桁架桥是一种非常典型的结构形式，是世界范围内民用基础设施的重要组成部分。它被认为是一种经济可靠的大跨度桥梁解决方案。明尼苏达州I-35W大桥的倒塌是最近的一场灾难，暴露了当前钢结构[6]的目测检查和结构健康监测的薄弱环节。I-35W是2007年8月1日发生在密西西比河上的一座高速公路桥。美国国家运输安全委员会(national transportation safety board)认定，U10W扣板可能是最初失效的原因。该桥的倒塌引起了人们对钢结构在时效作用下破坏的关注，以及对钢结构承载能力要求的提高。Holt和Hartman认为，扣板的强度不足以产生该面板点的剪力。对事故的调查显示，在灾难发生前的几个月里，扣板以飞机外位移的形式发出了警告信号。Ocel和Wright研究发现，扣板的平面外移是导致坍塌的一个因素，并导致了与物理证据相符的运动方向。这些预警信号未被发现的事实表明，需要一种复杂的结构状态监测策略。目前这些结构的持续监测和维护工作依赖于目测和无损检测。改善业主/营办商可获得的资料和工具，将大大协助持续健康监察和经济资产管理的成效。
在I-35W大桥倒塌后，对扣板连接的评估和监测一直是运输部门关注的焦点。对I-35W桥梁临界扣板进行了有限元分析[8,12]。基于有限元分析的扣板连接评估和分析需要扣板和扣件位置的精确几何数据。桥梁结构也可能存在较大的不确定性，即，在刚度、质量、几何和边界条件下，这将使得有限元分析难以准确识别节点条件。Bermanetal最近提出了一种快速评估方法，称为分流评估程序(triage evaluation procedure, TEP)，以识别过度应力扣板。在TEP中，所提出的方法是检查与扣板相交的所有构件的最大应力是否满足准则。美国联邦公路管理局发布了一项技术咨询，为桥梁业主提供指导，当视觉技术不可行时，哪些无损评估技术可以用来补充扣板检查。技术咨询建议使用超声波测试来确定扣板的截面状况。超声波依靠向材料中注入高频弹性应力波，并利用传感器测量响应。结构损伤时应力波的反射，即、裂纹、腐蚀等在频谱上表现为峰值。超声波检测的主要局限性是应力波在多层板间隙处衰减。需要注意的是，目视和超声检查都需要检查人员进入目标区域，并需要大量的人力投入和时间。现有的视觉检测技术成本高、耗时长、需要专业知识，而新的和改进的无损检测技术对于提高桁架桥梁扣板的健康状况监测至关重要。本文提出了一种利用射电图测试方法来识别扣板截面损失规律的方法。Higgins和Turan[9]最近开发了用于钢桁架桥梁扣板连接评估的数字成像工具。通过图像处理，测量了扣板和扣件的几何尺寸。
本文主要研究内容及意义
本文简要介绍了一种新型的相对位移传感器，该传感器可直接测量两点间的相对位移。所研制的传感器对结构上两点之间的相对运动非常敏感，并且易于直接安装在结构上。它不需要一个稳定的参考点，因此很容易设置和成本效益的测量相对位移。本文研究了研制的相对位移传感器用于钢桁架桥梁节点状态监测的可行性和灵敏度。摘要为了研究将所研制的相对位移传感器应用于结构节点状态监测的性能，建立了钢桁架桥梁的试验模型，并将所研制的相对位移传感器安装在钢桁架桥梁的节点状态监测中。采用时频分析方法，即连续小波变换(CWT)，对结构在环境振动作用下的动态相对位移测量进行分析，用于在线监测。研究了所研制的传感器的灵敏度范围，考察了传感器对环境振动下局部螺栓损伤的识别灵敏度。
通过自由振动试验测量，验证了相对位移传感器能否识别钢桁架桥梁节点连接条件的微小变化。采用小波包分解方法，对结构未损伤状态和损伤状态下的相对位移进行了测量。通过计算某一特定小波包分量能量占未损伤状态和损伤状态小波包总能量百分比的变化，计算损伤指数，识别钢桁架桥梁节点状态下的松动螺栓损伤。
相对位移传感器
摘要利用惠斯通电桥电路原理，研制了一种新型的相对位移传感器，并对其精度进行了验证。该传感器具有独特的优点，是一种高效、经济的测量相对位移的方法。它对结构上两点之间的相对运动非常敏感，也很容易直接安装在结构上，不需要一个稳定的参考点。对该传感器进行了实验研究，验证了该传感器的准确性，并研究了其在监测复合材料桥梁剪切连接损伤引起的相对位移方面的性能。比较与传统的振动测量传感器,即激光位移传感器和加速度计结构健康监测、实验测试和分析结果表明使用这种新的传感器的优点,提供了一个创新的工具是利用在结构健康监测系统中,检测复合桥梁移动荷载作用下剪力连接条件[14]。本文将利用所研制的相对位移传感器在检测剪切位移方面的良好性能，研究该传感器能否成功应用于其它结构体系的监测，特别是钢桁架桥梁的节点状态监测。
相对位移测量
简要介绍了所研制的相对位移传感器的设计思想和主要特点。所研制的相对位移传感器利用惠斯通桥电路的原理，消除了这些表面的拉伸/压缩、弯曲和扭转变形，并提取相对位移来监测结构的健康状况。惠斯通电桥电路由四个应变片嵌入到一个薄的金属方形条中形成，每边有两个安装垫，如图1所示。将两个垫片固定在结构上，传感器将测量由于两个垫片安装位置之间的相对位移引起的金属片剪切变形。惠斯通桥电路的对角对称特性将失真隔离开来，只读取传感器x轴上的位移，即相对位移。利用惠斯通电桥电路的特性和传感器四臂电阻计算了传感器的输出电压-年龄，即R1-R4
（1）
其中v和U表示输出和输入电压，△R1到△R4表示各自电阻的变化。
应变计与应变的相对变化量为
（2）
式中k为应变系数，金属应变片的应变系数约为2。
将（2）代入（1）给出关系式
（3）
其中e1 ~ e4为电阻R1 -R4各自的应变。由式(3)可知，只要k值相等，电阻值就不重要。由于四个应变片的对角排列，x轴上的位移d会产生以下应变关系的变形：
（4）
将式(4)代入式(3)，则输出电压为
（5）
由式(3)可知，对于给定的输入电压和一个恒定的应变计因子，输出电压与应变e成线性正比，从而与相对位移d成线性关系。本研究开发的传感器的输入电压为2.5 V。对传感器进行标定，求出应变与相对位移之间的常数K
（6）
其中K为定义应变与相对位移线性关系的系数。这意味着将上述敏感系数的实测应变值进行转换，即可得到相对位移。
张紧效应
所研制的传感器的目标是测量两垫片之间沿水平方向的相对位移。然而，由于结构受力条件复杂，传感器可能会受到拉/压、弯曲和扭转等不利影响。为了减小这些影响，提高传感器检测相对位移的性能，采用了惠斯通桥电路的对称行为。
在传感器的x轴或y轴上发生张力或压缩，将在所有应变片上产生相同的应变。
（7）
根据式(3)，我们有
（8）
这意味着传感器的张力和压缩不会产生输出。
弯曲扭转效应
当存在沿x轴的弯曲效应或沿x轴方向旋转的扭转效应时，根据设计电路的对称性可以推导出应变的关系式
（9）
沿y轴弯曲效应引起的应变与沿y轴旋转的扭转效应有如下关系
（10）
对于两种情况，由于对称性和式(3)，由于弯曲和扭转效应，输出电压为零。在理想的情况下，当传感器沿x轴或y轴发生拉伸或压缩、弯曲和扭转时，只能在要求的方向上检测到剪切位移。有关所研制的相对位移传感器的校准和精度验证的更多细节可参考[13]。
小波分析
各种信号处理技术已经发展起来，并用于分析测量的振动响应，以确定结构条件和可能的局部损伤。小波分析是一种被广泛认可和应用的信号处理和系统识别技术[20,18,22]。采用连续小波变换(CWT)分析了环境振动下的动态相对位移测量值，以检测引入的松动螺栓损伤的发生。小波包分解进行分析测量相对位移损伤和损坏结构的自由振动测试下,损坏和指数基于百分比的变化的一个特定的小波包组件能量总小波包能量用于识别关节连接在桁架桥梁的健康状况。本节将简要回顾CWT的背景，以及在后续实验研究中使用的损伤指数的定义。
桁架桥梁节点健康监测
实验模型
钢桁架桥是一种非常流行的工程结构形式，在交通运输网络中起着重要的作用。在此类桥梁中，节点连接条件对保证桥梁的刚度和承载能力至关重要。节点连接的过应力或变形会导致状态退化和损伤累积，如果不仔细检查或检测，最终可能导致桥梁的灾难性破坏。通过对某钢桁架桥梁模型的室内试验研究，探讨了所研制的相对位移传感器用于桁架桥梁结构健康监测的可能性、灵敏度和有效性。钢桁架模型由4根50 mm、50 mm、5 mm等角度的梁和50 mm、5 mm的弦杆组成，如图2所示。M6螺栓用于连接所有的弦杆和扣板到相等的角度。整个桥梁模型采用了300多个螺栓。桁架模型长2米，宽0.35米，高0.5米。桁架桥梁模型由两个固定在地面上的钢框架组成。
三个相对位移传感器连接在桁架中心底部的节点上，监测在不同荷载和损伤情况下可能发生的相对位移。传感器的一端固定在扣板上，另一端固定在弦杆上，检测和测量扣板与弦杆表面的相对位移。采用国家仪器动态数据采集系统进行数据记录。这些相对位移传感器的设置比基于视觉的方法更容易安装，而基于视觉的方法需要设置多个摄像机或其他光学设备。激光位移传感器或相机也需要一个固定的参考点进行设置，并且可能无法针对扣板和弦杆构件之间的界面来测量相对位移。这是所研制的相对位移传感器的突出优点，它可以直接安装在桥梁上，以独特的方式测量相对位移，用于结构健康监测。
相对位移传感器连接在一个连接上的三个扣件接口上，如图3所示。传感器1和3是对角定向的，可以同时检测垂直和水平相对位移，而传感器2只检测水平位移。引入的损伤可以通过松开不同连接部位的特定螺栓来实现。传感器将输出一个时程应变，它可以转换为相对位移使用校准的灵敏度值。目的探讨相对位移法检测桁架桥梁结构局部螺栓损伤的可行性和灵敏度。如果所有螺栓都在螺母中啮合并拧紧，则结构状态对应于
未损坏的状态。可以注意到，螺栓是完全拧松的，以模拟局部损伤在联合条件下。应该要注意局部损伤在一个螺栓的检测是不包括在这项研究中,因为没有设备在实验室引入部分单个螺栓损坏,然而,只有删除单个螺栓联合连接在这项研究中引入局部损伤桁架节点连接的桥梁。
环境振动下接头连接的状态监测
对不同的损伤场景进行了实验测试，研究相对位移传感器在监测节点连接状态时的有效性和性能。通过松开一个特定的螺栓，可以模拟不同节点的局部损伤，并输出相应的位移传感器，通过分析，研究所研制的传感器对在线状态监测的适用性和灵敏度范围。
将三个传感器安装在其中央下扣板上的面指定为正面，对面为背面。所述关节在前表面编号为1至10，在后表面编号为11至20，如图4所示。这个图也显示了在不同的损伤情况下被移除的确切螺栓。例如，对于节点1的损伤情况，只删除如图4所示的节点1上的标记螺栓。需要注意的是，在一个节点上只拆下一个螺栓，会对单个节点造成轻微和局部的损伤，这是考虑到有相当多的a
连接处的螺栓数目。由于桁架模型的对称性，试验只在桁架一侧重复进行，特别是在每个破坏场景中，每个节点上的螺栓都被移除的节点1 - 6处。
在进行环境振动试验时，采用液压加载架对桁架桥模型施加了2 kN的稳态和静态荷载。液压加载装置对桁架桥模型施加恒定载荷。当载荷读数稳定后，取下螺栓，模拟加载条件下的螺栓损伤。记录螺栓拆卸前后位移传感器的读数。采用连续小波变换(CWT)检测螺栓连接的损伤。
图5为取下连接在关节1至关节6上的螺栓时，所测得的三个传感器的相对位移。在节点1、节点3、节
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