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基于车-桥一体化监测的铁路钢桥损伤预警及可靠度评估研究

肖鑫  
【摘要】:桥梁健康监测系统中损伤预警与状态评估是其中最为重要的两个方面,如何有效、准确地对桥梁监测数据进行处理、分析,并在此基础上实现损伤预警与状态评估是目前国内外所研究的热点。本文以普速和高速典型大型桥梁为工程背景,围绕损伤预警与状态评估两个研究方向,系统地开展了基于健康监测数据的桥梁结构整体损伤预警、承载力可靠性评估与疲劳可靠性评估的应用研究。本文所取得的主要研究成果如下:(1)采用灵敏度分析方法研究了桥梁损伤对车-桥耦合系统的影响,结果表明:桥梁损伤对桥梁响应的影响远大于对车辆的影响,且损伤对跨中附近节点加速度响应影响最大,速度次之,位移最小。并提出了基于单测点加速度响应互相关函数的灵敏度损伤识别方法,该方法对4%以下的小损伤识别效果较好,且具有一定的抗噪性。(2)建立了大桥加速度数据的时域ARMA模型,分析了该模型的稳定性及对损伤的敏感性,结果表明:环境因素对该模型的影响不大,AR系数会随着损伤的发生而出现波动。提出了基于AR系数的桥梁损伤预警指标及预警方法,并采用多样本假设检验识别了预警指标的微小变化,说明采用该预警指标和预警方法能有效地判断桥梁结构损伤的发生。(3)分析了环境温度和车辆荷载对桥梁实测模态频率的影响,应用BP神经网络建立了频率与其之间的关系模型。提出了基于模态频率的桥梁结构整体损伤预警方法,该方法利用BP神经网络和多样本假设检验能识别出大胜关长江大桥频率的微小变化,说明该方法具有良好的适用性,且能较为准确的判断桥梁结构整体损伤的发生。(4)建立了基于健康监测的桥梁承载力可靠度评估方法,系统地研究了一上承式和下承式钢桁梁的承载力可靠指标。分析了极限状态方程中各参数的概率分布,并根据实测数据,基于概率论建立了荷载谱,实现了对任意杆件活载作用力分布的统计,研究了温度荷载效应对承载力可靠指标的影响,结果表明:当前桥梁承载力状态满足要求,温度荷载效应对端部下弦杆承载力可靠指标影响较大,对跨中下弦杆可靠指标影响较小。最后引入Bayes概率模型更新理论,保证统计的车辆活载作用力分布能真实的反映实际情况。(5)建立了基于健康监测的钢桥疲劳确定性评估方法与可靠度评估方法。根据Palmgren-Miner线性累积损伤理论与AASHTO规范中的S-N曲线分析了一上承式和下承式铆接钢桁梁重要杆件的确定性疲劳寿命与可靠度疲劳寿命,研究了车辆荷载增长及荷载效应对疲劳可靠度的影响,并根据β约界法计算了钢桥系统疲劳可靠度,结果表明:基于可靠度的疲劳寿命远小于确定性疲劳寿命;系统疲劳可靠度小于构件疲劳可靠度,但更符合实际;车辆荷载增长与等效应力变异性的增加将导致疲劳可靠度减小。总的来看,采用该方法能够合理的利用监测数据对桥梁进行疲劳评估,可为钢桥的养护维修提供科学依据。(6)初步探讨了车-桥耦合系统运行安全可靠性分析方法。将车-桥系统视为由车辆子系统与桥梁子系统组成的串联系统,桥梁子系统以跨中横向加速度作为安全指标,车辆子系统以脱轨系数与轮重减载率作为安全指标。分析结果表明:平均轴重对桥梁安全运行可靠性影响较大,列车运行速度对车辆运行安全可靠性影响较大,车辆运行安全性是制约车-桥系统运行安全可靠性的主要因素。


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