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基于健康监测技术的桥梁结构状态评估和预警方法研究

李顺龙  
【摘要】:结构健康监测是土木工程领域当前热点研究方向。借助我国大规模基础设施建设的背景,我国许多大型桥梁结构上安装了健康监测系统。这些健康监测系统的运行,积累了大量的数据,如何有效分析桥梁结构健康监测系统采集的海量数据,为桥梁结构的状态评估、为研究桥梁结构的性能退化规律、为验证桥梁结构的分析理论和设计假定提供科学依据,是健康监测系统的关键科学问题之一,也是当前结构健康监测领域最迫切需要解决的问题之一。本文系统研究基于健康监测技术的桥梁结构状态评估和损伤预警方法。 主要研究内容包括: 提出桥梁结构时变模态参数识别的非线性主成分分析方法。提出提取温度和风速对桥梁结构模态参数影响预处理的非线性主成分分析(Nonlinear Principal Component Analysis, NLPCA)方法,研究桥梁结构自振频率、振型和阻尼比与温度和风速之间关系的非线性回归模型(ANN)。对实际桥梁结构健康监测的数据分析表明,NLPCA重构后的数据可以包含原始信号的主要信号特征,且温度和风速对桥梁结构自振频率和阻尼比均有显著影响,但对桥梁结构振型影响不明显。 研究基于不确定性模态参数的桥梁结构模型修正方法。针对结构健康监测数据较多的情况,提出桥梁结构随机有限元模型修正方法;针对结构检测数据较少的情况,提出基于区间理论的桥梁结构有限元模型修正方法。分析两种模型修正方法的特点,并提出不确定性有限元模型修正的顺序优化方法,修正后的非确定性有限元模型为进一步的结构可靠度分析奠定基础。 提出基于健康监测数据的桥梁结构应变全过程分析方法。研究基于健康监测系统的桥梁结构施工阶段,荷载试验阶段和运营阶段应变构成与分析方法,提出截面系数比概念;研究基于健康监测数据的桥梁车辆荷载和温度荷载引起的应变和弯矩的极值分布,以及基于修正模型的桥梁结构车辆荷载和温度荷载及风荷载产生的应变和弯矩极值分布。 研究基于健康监测技术的桥梁结构可靠度和疲劳寿命分析方法。基于桥梁结构荷载效应极值分布,考虑桥梁结构抗力衰减规律,提出基于健康监测技术的桥梁结构可靠度分析方法;研究基于监测的应变时程响应的桥梁结构疲劳寿命分析方法。 研究基于统计过程控制的桥梁结构预警方法。将健康状况下桥梁结构的模态参数训练得到NLPCA主元模型,并应用SPE统计量表示主元模型对数据的解释情况,当SPE过大时,说明桥梁结构出现异常情况而需要预警,并应用实际损伤桥梁监测数据对预警方法进行验证。


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