大创项目申报书

大连理工大学大学生创新训练项目申报书项目名称：安装减振阻尼器的斜拉索的损伤诊断理论与试验研究项目成员：学部（学院）：建设工程学部指导教师：安永辉立项时间：教务处制表项目名称安装减振阻尼器的斜拉索的损伤诊断理论与试验研究1负责人姓名学部（院）学号班级电话邮箱成员指导教师姓名安永辉单位土木工程学院职称联系电话项目来源□学生自选，学生的积累和兴趣学生自选，教师的科研项目□教师帮选，教师的科研项目项目背景及研究意义（同类研究工作国内外研究现状与存在的问题等）1、研究背景目前为止，因斜拉索的振动导致了多起桥梁事故及巨大的经济损失。如建于1960年的委内瑞拉Maracibo桥，是世界著名的预应力混凝土斜拉索桥，由于桥索涂漆层在风雨的侵蚀作用下，拉索剧烈振动，192根的钢索中有25根存在严重隐患，1979年2月，一根拉索突然疲劳断裂，造成桥体局部坍塌，造成经济损失达5000万美元；美国德克萨斯州FredHartman桥于1995年建成，但因风雨激振导致100多个桥面端护筒焊接开裂，出现疲劳裂纹，引发安全事故；荷兰Erasmus大桥与1996年建成，开通不到两个月，因钢索的大幅振动被迫关闭；广州海印桥于1988年建成，1995年5月发生9号斜拉索断裂事故，后又发现15号拉索松断，被迫进行全桥换索工程，损失2000多万元；清清的彩虹桥由于振动，发生整体垮塌，桥上全部行人坠入河中，造成40人死亡，14人受伤，直接经济损失达数千万元；四川省宜宾市的南门大桥于2001年11月因斜拉索振动，致使桥梁倒塌，导致巨大的经济损失。如图1为某斜拉桥由于斜拉索断裂造成的事故，这样的事故还有很多。图1斜拉桥事故目前，对斜拉索的监测通常有如下几种方法：[1]索力监测方法压力传感器测定法：压力传感器材质通常为高强度弹性体，安装在斜拉索张拉2端锚环螺母下，直接测得斜拉索锚下压力。优点：直接测力，精度高，能达到1%以内；缺点：施工麻烦。需要施工时进行埋设，且不容易更换。加速度传感器测振法：将加速度传感器用索夹或绑带固定在斜拉索上，通过对振动时程数据进行傅立叶变换获得拉索振动频率，然后根据拉索频率与索力的理论公式换算索力。优点：容易更换，使用成熟；缺点：考虑拉索垂度、抗弯刚度、边界条件误差及拉索阻尼器的影响，修正后的精度一般认为在5%以内。激光测振法：通过测得拉索的速度时程进行傅立叶变换获得索的振动频率，最终获得索力。优点：无接触、无导线、并可长距离监测。缺点：设备价格昂贵，不适合多点同时监测。EM磁通量索力计：当铁磁性材料受到外力作用时，其内部产生机械应力或应变，相应地磁导率发生改变，通过测定磁导率变化来反映应力变化。优点：传感器安装较方便、非接触测量、不损伤结构；缺点：是对不同型号的拉索均需要各自进行参数标定，需要在斜拉索施工时安装，不易更换。筋式光纤光栅智能拉索：将FRP-OFBG智能复合筋布设到平行钢丝或钢绞线拉索内，成为拉索的一部分。在索力作用下，智能筋与平行钢丝的协同变形，感知拉索应力。优点：是测力直接，并可直接进行损伤分析；缺点：传感器的安装在拉索生产时就需埋入，较为复杂，不易更换。[2]主梁挠度监测方法测量机器人(自动跟踪的全站仪):通过沿主梁选择适当的点布置反射器，与测量用的全站仪配合使用，形成光载波通信系统。利用全站仪的红外激光探测功能，对反射器进行连续监测，测量每个反射器与全站仪的相对角度和距离，计算并存储主梁的变形情况。优点：高精度；缺点：精度受到环境及天气影响(如海面、雨、雪、雾)较大。CCD激光挠度监测系统：从发射器给出一道激光束并将其锁定在一个稳定的位置上，接收器可以接收识别光学目标反射回的光束并以高达100Hz的频率精确测量出该目标的点位。优点：精度高，同步性好，温飘、时飘小。缺点：易受环境干扰，进行多点测量时费用极其昂贵。GPS系统：采用全球定位系统(GPS)进行主梁挠度的监测，可以避免受环境干扰的问题。优点：无时漂、温漂。缺点：精度不够，设备价格昂贵。开放式连通管系统（静力水准测量）：静力水准测量变形是采用液位监测的方式，依据连通管原理，测量每个测点容器内容器底面安装高程与液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对变形量。优点：精度高、多点同步测量、性价比高。缺点：存在严重滞后现象，在活载作用下动态响应相对较慢，监测过程中容易出现丢失峰值的情况，不适用于动态实时监测。封闭连通管压力监测系统：测量每个测站及基准站处液体压力的变化。液压通过压力变送器进行监测，再通过计算求得各点相对于基点的相对变形量。优点：精度高、能够实现多点同步测量、性价比高，避免了静力水准测量在高程改变时的液体流动造成滞后的问题。压力传感器的时间常数较小，能够获得较好的3动态监测效果。缺点：对传感器及连通管路安装要求较高，对液体质量要求高。[3]应变模态法应变是位移的一阶导数，对应于每一阶位移模态，则必有其对应的固有应变分布状态，故应变模态反映了斜拉索结构的固有特征。优点：对结构局部损伤的反映敏感；缺点：反映损伤的应变模态的阶数不固定，需进行大量实验。[4]神经网络法输入信号Xi通过中间节点（隐层点）作用于输出节点，经过非线形变换，产生输出信号Yk，网络训练的每个样本包括输入向量X和期望输出量t，网络输出值Y与期望输出值t之间的偏差，通过调整输入节点与隐层节点的联接强度取值Wij和隐层节点与输出节点之间的联接强度Tjk以及阈值，使误差沿梯度方向下降。频率加振型的神经网络输入参数，对斜拉索损伤有一定的敏感性，可以取得良好的识别效果。总之，目前在斜拉桥上使用的拉索损伤识别方法主要有局部法和整体法两种。局部法指的是应用目测法、声发射法、光干涉法和超声波技术法等无损检测技术来进行损伤诊断的方法。而以上诸无损检测技术往往必须要知道结构损伤的大概位置，否则无法检测结构性能的变化。而整体法则是通过监测结构整体特性，诸如频率、振型、刚度和质量等性质来判断结构是否损伤以及损伤程度来判断的。因为我们在工程实际当中无法准确找出斜拉索的损伤部位，所以选择研究安装减振阻尼器（图2）来监测损伤的方法属于整体法。在实际生活中斜拉索的振动分为如下几类：涡激振动，抖振，风雨激振，尾流驰振，参数激振。在斜拉索上增加阻尼器，可以提高斜拉索的模态阻尼，能够对斜拉索的各种类型的振动都起到减振的作用。图2安装有减振阻尼器的斜拉索不仅如此，还有风，雨和温度变化等外界环境的影响，有些微小误差就会被这些不定因素抵消而不能及时准确地测量出来。所以，我们认为将微小误差放大之后再进行监控不仅会避开这个问题，而且会使斜拉索的安全得到更好的保障。因此，我们提出安装减振阻尼器对斜拉索进行损伤诊断。2、研究意义该项研究通过将微小变量放大，使其对小损伤敏感可以及时发现损伤并及时进行维护，同时可以实时监测并实时预警，诊断结果准确，为斜拉桥的安全运营提供预警和保障；还对人民生命财产安全也会有更好的保障，带来较好的社会效益。此外，这种方法4操作简单、成本低廉，有较好的经济效益。研究内容和拟解决的关键问题1、研究思路通过安装减振阻尼器将斜拉索分成一长一短两段，根据近似公式(1)其中T表示斜拉索索力，m表示索的质量，l为索长，wn为第n阶振动频率。由上式可知，索长与频率成反比，那么靠近桥面的短索段在相同的外界激励,其频率会相较未安装阻尼器的整段索的频率有几倍至几十倍的增长（具体视斜拉索索长及阻尼器安装位置确定）。那么，未安装阻尼器时斜拉索发生微小损伤下仅能引起微小频率变化，而在安装阻尼器后，较短的斜拉索部分频率将改变较大，可以更为敏感而精确地监测斜拉索损伤，借此我们有望可以对该斜拉索进行实时监测。2、研究内容研究内容主要分为两部分，每个部分又分为若干点，具体内容及其相互关系的技术路线图如图3所示。[1]数值模拟①建立单根斜拉索损伤前后的有限元模型利用ANSYS软件分别建立损伤前后单根斜拉索的有限元模型，其中损伤的模拟需要注意损伤前后质量不变。②安装减振阻尼器前后分别用白噪声激励斜拉索并提取损伤前后相关测点的加速度先对未安装阻尼器的斜拉索输入白噪声信号进行激励，得到损伤前后相关测点的加速度信息。建立减振阻尼器，然后对安装有减振阻尼器的斜拉索进行白噪声激励并得到损伤前后相关测点的加速度信息。③对损伤前后的加速度进行分析并比较安装阻尼器前后斜拉索频率变化分析、比较安装阻尼器前后的斜拉索在损伤前后的加速度信息，检验本项目思路的正确性及可行性。[2]试验研究①在未安装阻尼器的情况下对斜拉索进行白噪声激励并提取测点加速度在大连理工大学桥隧研发基地实验室的地槽与反力墙之间建立起一根完好的斜拉5索，在已选定的测点布置加速度传感器，用激振器输入白噪声激励信号模拟环境激励，得到相关测点的加速度信息。②安装阻尼器后对其进行激励并提取测点加速度将减振阻尼器安装在斜拉索上，并在阻尼器与地面间的较短索长的与数值模拟一致的相应部位处布置加速度传感器，用激振器对斜拉索进行激励并得到损伤前测点的加速度数据。③制造损伤并提取加速度用特种剪刀在选定点（事先经过相关专业人员咨询，确定剪钢丝的安全范围及步骤，严格确定人为破坏钢丝线时的注意事项）及有防护条件的情况下依次剪短一根或几根钢丝线，进行与前面相同的激励并获得相关数据。④取下阻尼器提取测点加速度然后拆掉阻尼器，获得未安装阻尼器的斜拉索损伤后测点的加速度；⑤分析比较上述两组加速度信息和加速度频率特征变化最后分别分析安装阻尼器前后斜拉索损伤前后的所测数据，比较安装阻尼器前后相同损伤带来的频率变化是否符合本项目的思路以及数值模拟的规律，从而得出结论。图3技术路线3、拟解决的关键问题6如何真实地模拟减振阻尼器对斜拉索的约束效应、如何选择测点位置及加速度测试方向、如何准确分析加速度信号是本项目面临的关键问题。项目创新之处通过安装阻尼器将斜拉索分成一长一短两段，而索长与频率成反比，故相比原本未安装减振阻尼器时斜拉索损伤前后微小的频率变化将被放大；这样可以减小原本可能因环境等外界因素带来的影响，更准确、及时地对斜拉索进行实时监测。项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）1、2014.11-2014.12：查阅资料、选题、自主设计项目研究方案；2、2014.12.15：开题报告；3、2015.01-2015.10：实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发，具体安排如下：2015.01-2015.02：学习ANSYS、MATLAB软件的应用，建立单根斜拉索损伤前后的有限元模型；2015.03-2015.04：建立减振阻尼器有限元模型前后分别用白噪声激励斜拉索并提取损伤前后相关测点的加速度，对损伤前后的加速度进行分析并比较安装阻尼器前后斜拉索频率变化；2015.05-2015.06：在实验室搭建试验模型，安装阻尼器前后分别对斜拉索进行白噪声激励并提取测点加速度；2015.07-2015.08：制造损伤并提取加速度，然后取下阻尼器提取测点加速度2015.09：分析比较上述两组试验中加速度信息和加速度频率特征变化；2015.10：实验总结分析，修改不足之处，遇到不妥的实验数据或疑惑等补做实验研究；4、2015.11-2015.12：填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩等。7项目经费预算（如材料费、资料费、版面费、专利费、调研费等）1、材料费4000元小型斜拉索、小型阻尼器2、资料费300元如购买ANSYS学习的相关书籍等3、调研交通费200元赴安装有减振阻尼器的斜拉桥现场调研的交通费等4、版面费2000元发表论文一篇5、专利申请费1070元申请专利一项：安装有减振阻尼器的斜拉索的实时监测技术合计：7570元预期研究成果（如项目鉴定、学术论文、申请专利、获奖、推广应用等）1、关于装有减震阻尼器的斜拉索损伤诊断理论及试验研究的研究报告一篇；2、本课题所运用的微小量放大法在实际中的推广应用；3、关于辽宁省主要的斜拉桥钢索损伤状况的调研报告一篇；4、申请发明专利一项。指导