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桥梁结构健康监测传感器比选及优化配置研究

王常亮  
【摘要】: 随着科技的飞速发展,港口工程、水电工程、海洋工程等水工建筑物及桥梁隧道、房屋建筑等土木工程结构,其建设规模及难度日益加大,结构物服役期间将受到设计载荷和各种环境因素的影响而形成材料劣化、损伤积累等问题,从而对结构的安全性和稳定性造成影响,由此在使用中失效或突然破坏所造成的直接或间接经济损失将十分巨大。因此,实现结构物损伤识别及其对重要结构进行实时监测具有重要理论和现实意义。 传感器系统是桥梁结构健康监测系统的重要组成部分。从理论上说,尽可能多的传感器有利于获得更全面的结构响应信息,但由于经济和结构运行状态等方面的原因,在整座桥梁的所有自由度上安置传感器既不可能也不现实。通过尽可能少的传感器来获取可靠而全面的桥梁健康状况信息,就是优化布设的根本原则。 本文对大型桥梁监测中传感器比选和优化配置的意义、研究进展及发展现状进行了较全面的综述;结合马水河特大桥建立其完整的空间有限元模型,给出了模态频率和振型;详细讨论了传感器优化配置的有效独立法和模态置信度法的基本原理,并运用改进模态置信度的方法对马水河特大桥进行传感器比选和优化配置,论文主要研究内容如下: (1)论文根据传感器的适用性、可靠性、耐久性、经济性等性质,提出传感器的比选原则。 (2)论文在传统模态置信度准则基础上,提出了以QR分解得到的结果作为初始配置,利用本文提出的修正逐步累积法,进行传感器优化配置,可以使MAC矩阵的最大非对角元较快地达到预设值,完成传感器的优化布置。 (3)论文针对应变传感器优化配置问题,基于应变模态保证准则(Strain Modal Assurance Criterion, SMAC)对应变传感器进行优化配置,并利用应变模态矩阵信息阵初步拟出一小组传感器位置,然后利用改进遗传算法对剩余的传感器位置进行组合优化。


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