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《华南理工大学》 2012年
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基于长期健康监测的连续刚构梁桥的性能分析与演化规律研究

李英华  
【摘要】:健康监测是现代大型桥梁结构不可或缺的组成部分,它能为桥梁的设计、施工、使用和维修决策提供性能、状态信息和科学依据。但是由于健康监测数据常常是多种因素综合作用的结果,因此,长期健康监测数据分析与挖掘成为一个挑战性的前沿课题。本文综合分析了国内外大型桥梁监测系统及性能分析、安全评定研究现状,并以肇庆西江大桥的健康监测系统为基础,完善了集中式健康监测管理系统,较深入系统地分析了肇庆西江大桥运营期间监测数据与结构状态性能,解决了一些相关的关键科学技术问题。主要研究内容及其成果如下: 根据温度实测数据,详细分析了在太阳辐射等自然环境条件下混凝土箱梁的温度变化规律;基于正态分布概率模型,计算得到了具有沥青铺装层的混凝土箱梁温度作用代表值;提出了混凝土箱梁竖向温度梯度模式可采用幂函数加折线的形式描述,且顶底板温差与大气温度成线性正比关系;详细分析了季节温度概率分布,得到该桥运营期间的最大季节升温温差为23.4℃,最大季节降温温差为20℃。分析结果说明目前桥梁工程设计所采用的温差偏小。 通过对长期应变监测数据的分析和确定数据筛选机制,成功地测量了在役桥梁混凝土的收缩徐变及其演化规律。分析了国际上常用的三种收缩徐变模型技术特点和适应性,推荐采用模型进行工程相关的收缩徐变计算,并建议采用等效龄期思想,对温度效应对收缩徐变的影响进行修正。应用CEB-FIP(1990)模型分析了背景桥梁的收缩徐变,结果和实测值比较吻合。 基于监测系统所采集的大量应变数据,从机理和算法上解决了应变监测数据的多因素耦合效应、超重车引起混凝土桥梁结构变形小等困难,发展了针对超重汽车类异常事件的识别方法。在分析长期应变监测信号的特征基础上,利用小波变换在信号突变识别方面有着优越性能的特点,对信号进行小波变换和异常信号的初步筛选,确定少量异常数据的突变位置,然后计算突变位置的应变变化幅度,并与有限元模拟的超重汽车引起的应变变化幅度对比,判定其是否为超重汽车荷载异常事件。推导了超重车引起的异常信号的捕获概率,成功地估算了背景桥梁上每天的超重车数量。基于Miner理论,推导了超重汽车引起桥梁关键部位的附加损伤的估算公式。同时基于大量监测数据,采用自编程序识别出超重汽车疲劳应力谱,并估算得到了背景桥在设计基准期内由超重汽车引起的损伤值。 利用监测系统涵盖混凝土浇筑、凝固、施工和营运全过程的特点,提出了由监测应变数据直接换算出桥梁内部混凝土当前应力的算法。基于将近5年的应变监测数据,本文提出一种局部时变可靠度评估方法,即以混凝土应力和强度作为的桥梁局部可靠度功能函数中的荷载(S)与抵抗力(R),首次在国际上实现基于长期健康监测的荷载概率分布及其随时间变化规律(五年)的测量。通过对该桥各监测的局部时变可靠度分析,能够较客观地评估桥梁在监测点附近的可靠度,以及这些可靠度随时间的变化。结果表明此法可行,并且能够帮助桥梁工程师和桥梁管理者制定相应的桥梁检查和维护策略。
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