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大型斜拉桥基于健康监测的模型修正、损伤诊断与预警方法

侯立群  
【摘要】:本文针对大型桥梁结构健康监测中所涉及到的几项关键科学与技术问题进行了系统研究,包括:振动监测系统的设计与实现、模态参数识别与频率的温度影响分析、有限元建模与模型修正、损伤识别与诊断以及极端事故预警。主要研究内容如下: 首先,总结了桥梁振动监测系统设计和实现过程中的实践经验,并针对具体技术问题给出了解决方案和指导性建议。 其次,提出了综合利用多个短时无车时段中的稳态数据进行模态参数识别的时频分析方法,该方法利用小波分析进行频带提取,并直接在时域中识别模态参数。它在一定程度上解决了自由交通荷载下的桥梁模态参数识别问题。不过利用这一方法识别出的斜拉桥模态参数仍包含温度影响成分,因此本文结合实测数据并利用有限元模型,研究了温度对滨州斜拉桥实测频率的影响规律和内在影响机理,并以此为依据给出了动态匹配建模法,该方法能去除温度与频率的线性相关成分。 第三,考虑到建立基准有限元模型是斜拉桥结构动力分析、损伤识别、安全评定及预警的不可或缺的前提和基础,本文模拟了滨州斜拉桥的悬臂施工和调索过程对其进行有限元参数化建模,并基于实测索力和频率修正了模型的质量参数和刚度参数。在此过程中给出了模型索力调节算法和提高模型修正计算效率的实用方法。 第四,本文以修正后的有限元模型为基础,考虑到噪声干扰的随机性和损伤特征的稳定性,提出了斜拉桥桥面损伤定位的三点直线拟合曲率法,该方法具有一定的抗噪声能力,其基本思想如下:利用结构损伤前后多次识别得出的模态振型求得多条曲率差曲线,将这些曲率差曲线中稳定为正的位置认定为损伤位置,将时正时负的位置认定为无损伤位置。对上述思想进行拓展,本文进一步提出了基于症状匹配的斜拉桥损伤经验诊断系统框架。这个框架以损伤症状数据库为基础,以症状匹配机制为核心。在此框架的指导下,本文利用有限元分析建立了滨州斜拉桥的损伤症状数据库,给出了症状匹配的通用算法框架,并在此基础上给出了斜拉索损伤诊断的具体算法。由于该诊断系统并非基于严密的逻辑推理,而是基于部分信息的经验判断,因此其对测试精度不足和测试信息不完备具有一定的鲁棒性。 最后,本文研究了滨州斜拉桥极端事故的预警方法。斜拉桥在极端事故发生之前通常会先进入亚临界状态,因此识别亚临界状态是极端事故预警的关键。本文基于修正后的滨州斜拉桥有限元模型,详细分析了滨州斜拉桥处于五类主要的亚临界状态时,其可监测到的力学指标的变化特征,并给出了基于力学指标的变化对滨州斜拉桥亚临界状态进行综合预警的方法。


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