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《西南交通大学》 2002年
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智能土木(桥梁)结构理论及其核心算法研究

淡丹辉  
【摘要】: 在刚跨入21世纪的时刻,高科技正迅猛地渗透到包括土木工程在内的各个传统行业中,尤其是新材料技术、信息技术及计算机技术正在进一步地与传统生产方式相结合,使传统行业的生产力水平有了空前的提高。 结构强度、完整性、安全性及耐久性的评估问题长久以来一直引起人们的普遍关注。尤其在美国“9.11”事件发生之后,结构安全更成为现代及未来社会的重点思考问题。智能结构是近年来业内人士的一个热点话题,由于它使建筑结构的功能从根本上得以扩充,能极大地满足人类对生活空间的安全信任需求,因此,智能结构已毫无疑问地成为未来土木工程结构的发展方向。这是高科技向土木工程渗透的必然结果。 关于智能土木结构这一思想的理论、实验及应用研究目前尚处于初步探索阶段,大量概念尚待滤清,研究内容也界定模糊,尚没有一个涵盖其主要研究方向的理论框架问世,这极大地阻碍了研究工作的进展。为此,本文对智能土木结构的理论框架和其核心算法进行了一些探索和研究,概括如下: 1.本文借鉴首先由航空航天制造业提出的智能材料结构概念的定义方式,明确地提出了智能土木结构的概念及定义,即:“土木(桥梁)结构中因嵌入部分智能子结构或智能材料,使其具有自监测、自诊断、自适应或自修复等仿生功能,从而能极大地满足人们在结构安全性及使用维护方便性等方面的要求,这种土木结构就称为智能土木(桥梁)结构”。同时,还对各种智能土木(桥梁)结构进行了类型的划分,并指出了未来土木结构的智能化应以嵌入式智能土木结构为主要发展方向。 2.全面论述了智能土木结构的理论体系构成,从仿生学角度剖析了智能土木结构的构成要素。针对理论研究和应用研究的现状,提出了结构智能化三层次的概念。论述了智能土木结构的研究内容,指出了智能土木结构的设计特点及流程。同时,本文又针对桥梁结构,给出了智能桥梁结构的总体方案设计,它由三个系统子方案组成:健康状态自感知监测系统、健康状态自诊断系统及灾害响应控制系统,并分别对其做出较为具体的规划。 3.给出了可行的智能土木结构测控硬件系统的解决方案。首先对桥梁结构材料和智能材料的集成问题进行了深入的讨论,它是智能桥梁结构走向实施的一个关键。同时还建立了静力实验传感器布置优化设计的数学模型,提出了梁式桥静力应变传感器网络优化设计方法,并用实例证明了该方法的合理性。建立了基于传统测试技术的数据采集系统的硬件环境,并以Win 32API及MATLAB两种模式构建了应变仪与PC的接口软件方案。 4.从力学反问题的角度出发,阐述了智能桥梁结构的智能计算问题的两种 西南交通大学博士研究生学位论文 第n页 思路一一无模型力学反问题的计算智能法解决思路以及有模型力学反问题的有 限元法解诀思路。通过对这两种计算路线的比较,给出了可行的模块化智能上 木结构智能计算方案,并对方案中各模块的功能及相互间的逻辑关系进行了详 细规划和设计。 5.定义了桥梁结构工作状态指标——荷载水平。以带有偏差单元的递归神 经网络为工具,建立了基于实时数据采集系统监测应变信息的智能桥梁结构荷 载识别模型,给出了详细的神经计算基本步骤。通过实时识别,建立了桥梁结 构工作状态实时在线监测、分检机制。针对人工神经网络学习算法的特殊需求, 给出了两种学习模式的收集策略——基于模型试验的学习模式收集策略及基于 原结构竣工荷载试验的学习模式收集策略。 6.除了对桥梁工作状态进行监测、分检工作以外,在工作状态指标超过某 种限值时还须对桥梁进行力学场的计算。应变‘抹平’问题是智能土木结构在 特殊计算环境下进行有限元分析所遇到的首要问题,其实质是如何将测点的应 变测量信息与对应的有限元计算值修匀、抹平的问题。文中首先定义了结构静 态应变残差矩阵,并利用有限元单元分析的推导过程建立了等效残差结点力列 阵,从而提出了基于迭代法的应变抹平问题的有限元解法。最后,文中还讨论 了部分预应力混凝土连续刚构桥的有限元计算模型问题。 7.最后,利用广珠线虎跳门连续刚构桥模型试验的部分测试数据及其在移 动荷载作用下的有限元分析数据,分别对本文提出的智能计算方案中的核心算 法一智能桥梁结构荷载识别模型进行了离线仿真验证。通过从试验测试数据中 选取一套合理的学习模式,其余数据组成验证集,先对模型加以训练,使模型 具有了在线监测、分检能力,然后用验证集加以验证,结果表明,该模型在以 集中力车辆荷载为原型的实验加载过程中具有较好的静力识别能力及可接受的 移动荷载的识别能力,然而对于如何进一步提高网络对移动荷载的识别精度尚 需做进一步的研究。
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