智能桥梁结构健康监测的研究

【摘要】：随着国内外大跨度桥梁的增多,桥梁结构型式的轻柔化、系统功能的复杂化以及人们对桥梁安全性与耐久性的要求越来越高。智能桥梁结构将成为未来理想的桥梁结构,智能桥梁的第一层次即桥梁结构健康监测已经成为国内外工程界和学术界关注的前沿课题。本文从智能材料结构的理论出发,给出了智能桥梁结构的概念,研究了桥梁结构健康监测系统和桥梁结构光纤光栅监测技术及桥梁结构监测评估方法,并成功地应用于芜湖长江大桥斜拉桥健康监测中。 研究首先从智能材料结构的理论出发,提出了智能桥梁结构的概念,在详细阐述智能桥梁结构的组成和设计准则的基础上,讨论了智能桥梁结构的信息处理、智能类型和设计方法,指出光纤传感器是现阶段最适合智能桥梁结构的感知材料、智能桥梁结构应该以嵌入式为主,桥梁结构健康监测属于智能桥梁结构的第一层次——自感知桥梁结构,智能桥梁结构的设计要遵循两大准则——功能和效益成本分析,从初步设计到试验验证要经多个反复后才能进行施工。 根据智能桥梁结构的特点,本文研究了桥梁结构健康监测系统的组成、特点、设计准则和原则、监测内容和截面及项目,总结了现阶段桥梁结构损伤评估方法,给出了斜拉桥结构健康监测系统的监测内容和主要构成。桥梁结构健康监测系统应充分利用计算机资源,在最少人工参与的条件下,考虑系统的目的、功能、投资额度和关键部位,注重监测的实时性和长期性。系统软件设计应采用虚拟仪器技术、硬件设计应标准化,监测的主要内容是荷载、环境、几何变形和结构反应。 文中根据光纤光栅传感原理,对比了强度型、干涉型和光栅波长型三种光纤传感器,指出光纤光栅更适合桥梁结构的健康监测;通过对光纤光栅的制作、结构原理以及应变和温度传感特性研究,推出光纤光栅的波长和应变(温度)成正比,经过标定后就可用于桥梁结构的健康监测。针对桥梁结构的特点,开发了埋设于混凝土的封装光纤光栅,构建了有多路光开关的光纤光栅监测系统。在探讨光纤光栅布设工艺与保护措施的基础上,成功地把5个裸光纤光栅和5个封装光纤光栅布设于正在施工的预应力混凝土箱梁中,测试了自重作用下的混凝土应变,试验表明光纤光栅测试值和理论值吻合的很好,实现了光纤光栅的绝对测量;测试了静载作用下的混凝土应变,试验表明光纤光栅测试值和电阻应变砖测试值吻合的很好,同时也说明了管式封装光纤光栅应变传感器是解决混凝土内部变形监测的理想传感元件,可用于桥梁结构的健康监测。 根据整体法进行桥梁评估存在的困难,提出了建立桥梁结构安全评价指标的局部评估方法,并在结构线弹性范围基础上,导出桥梁结构有限元计算中荷载和反应的关系,证明利用有限元理论计算可以建立桥梁结构安全评价指标。这样早期桥梁结构安全评价指标可以利用理论计算,远期桥梁结构安全评价指标可以利用人工神经网络和自身监测数据得到,并在研究人工神经网络原理的基础上,建立斜拉桥结构的温度和索力关系的神经网络模型。 根据芜湖长江大桥斜拉桥健康监测系统功能,研究了系统监测内容、测点的布置、