城市立交桥梁健康监测理论与实践技术研究

【摘要】： 桥梁一旦建成投入使用后,在其服役期限内除了材料自身性能会不断退化、老化外,不可避免地还会受到车辆、风、地震、疲劳、超载等自然损害和人为因素的影响,从而导致结构或构件有不同程度的自然累积损伤和突然损伤,导致其服役能力降低,甚至会使其破坏而影响人民的生命财产安全,给国家带来巨大的经济损失。我们在注重建设的同时,更应该对其营运期间的安全性、可靠性、耐久性和正常使用功能给予更大的关注和重视。因此,对桥梁结构实行健康监测就显得尤为必要。本文以城市立交桥梁为研究对象,对桥梁结构健康监测的理论与实践进行了深入研究,结合国家高技术研究发展计划(863计划)《季节冰冻区大范围道路灾害参数监测与辨识预警系统研究》项目(2009AA11Z104),主要开展了以下几个方面的研究工作: 1.基于损伤可识别性的静力传感器优化布置研究 桥梁结构健康监测的前提是在结构中布设传感器,由于经济和结构运行状态等方面的原因,在所有自由度上安置传感器是不可能也是不现实的,因此就出现了在n个自由度上如何布置m(mn)个传感器的优化问题,即根据有限的传感器来获取最可靠和最全面的桥梁健康状况信息。在桥梁中设置监测传感器是实现结构健康监测的前提,本文提出了一种基于损伤可识别性的静力传感器优化布置方法,并编制了相应算法进行运算,以数值算例验证了此方法的有效性及优越性,并应用此方法实现了一座城市立交桥梁异形结构的传感器优化布设。 2.城市立交异型桥梁的静力有限元模型修正研究 本文采用大型通用有限元程序建立了一座城市立交桥梁异形结构的有限元实体模型,基于均匀设计方法,对有限元模型进行模型修正,并通过实桥算例对此方法进行了验证。对基于响应面的异型桥梁的静力有限元模型修正做了理论和实践研究,并通过算例对此方法进行验证。 在城市立交桥的健康监测系统中,建立一个与实际桥梁状况相一致的高质量的有限元模型是对桥梁长期健康监测分析的基础。由于建模和分析过程中的众多不确定因素,根据设计图纸建立的有限元模型来分析预测的响应与实际结构响应不可避免地存在偏差,因此必须对有限元模型进行修正。本文提出了一种基于均匀设计的桥梁静力有限元模型修正方法,将m个模型参数取值的允许范围划分为n个水平,将有限元模型修正问题转化为m因素n水平的试验设计问题,根据均匀设计原则选取若干组参数组合进行试验(有限元建模计算),得到最优的参数组合,基于此参数组合的有限元模型即为修正后的模型。运用此方法对一座复杂的城市立交异型桥梁模型进行修正,得到了与实测数据非常吻合的有限元模型,验证了此方法的可行性和优越性 响应面方法是一种试验设计与数理统计相结合的数学分析方法,本文通过工程实例证明将响应面方法运用于大型复杂桥梁结构的有限元模型修正中是可行的,并且在基于均匀设计方法的模型修正效果不理想时可以在只增加一次有限元模型计算的情况下简便快捷的提高模型修正的精度,从而满足工程分析精度要求。 3.基于BP神经网络和遗传算法的异型桥梁的损伤识别研究 本文详细介绍了人工神经网络以及遗传算法在桥梁损伤识别中的应用,采用BP神经网络与遗传算法相结合的算法,对一座实际桥梁进行了损伤识别,取得了良好的效果。 本文以长春市前进大街立交桥左辅道桥为数值模型,以结构的易损截面为研究对象,采用遗传算法优化BP神经网络的权值和阈值。个体通过适应度函数计算个体适应度值,遗传算法通过选择交叉和变异操作寻找到最优适应度值的对应个体,以最优的权值和阈值作为神经网络的初值,并用于结构的损伤识别。分别选取模态频率及静力的应变变化率作为遗传优化网络的输入参数,用于验证遗传神经网络在单位置及多位置损伤识别中的应用。数值模拟结果表明:基于模态频率的遗传优化神经网络以及基于静力应变变化率的遗传优化神经网络均具备很强的损伤定位能力,能够对结构单位置及多位置的损伤进行成功的损伤位置识别,同时基于静力应变数据的遗传优化神经网络精度要优于基于模态频率的网络。上述两种方法可以互做补充,以提高损伤识别的效率。 4预应力混凝土箱型梁桥的横隔梁以及异形结构理论与实践研究 以一座六跨预应力混凝土连续箱梁桥为工程背景,利用有限元程序建立了该桥梁的实体模型,获得空间分析的横隔梁的应力状态。在实桥修建过程中将振弦式应变计埋入横隔梁中,获得桥梁结构的实际内力分布特点,并与有限元计算结果进行对比分析。提出一种实用的利用两次杆系有限元分析计算桥梁横隔梁内力的简化计算方法。该方法对于工程分析、计算、设计具有实际意义,为预应力混凝土箱型梁桥横隔梁的设计与计算提供借鉴。 针对城市高架桥和立交桥中经常出现的预应力异型曲线箱梁桥进行了分析和研究。结合实际工程,提出了适合该类桥梁计算的方法,建立了该桥的空间有限元模型,分析异型块的受力特性。利用在桥梁施工过程预先埋设的应变传感器,监测成桥后的桥梁的受力状况,并将实测数据与计算值相比较,修正计算方法及有限元模型,从而较准确的计算分析实际桥梁的内力及位移,对异型桥梁结构的设计具有一定的指导意义。 本文的研究内容对于研究城市立交桥梁的健康监测在理论与试验两方面起到了一个重要的探索作用,研究结果具有较强的工程意义,为城市健康监测系统的设计和建立奠定了坚实的基础。