新光大桥健康监测数据处理方法与应用研究

【摘要】：随着桥梁结构不断趋向大型复杂化，传统的人工检测方式已经不能充分满足大跨度桥梁的安全需求，健康监测越来越成为保障桥梁运营安全的重要技术手段。全面的后台数据采集及精炼的前台数据表现能力共同决定了桥梁健康监测系统的科学指导价值，而目前大多数健康监测系统的数据采集能力远优于其数据表现能力。虽然目前健康监测系统能够连续采集到海量数据，但对各类健康监测数据的重要性、规律性、相关性的研究还不够深入，使得大量的监测数据得不到妥善的处理与利用，海量数据反而成为制约健康监测系统发挥其科学指导意义的瓶颈。因此，针对海量健康监测数据的特点，研究数据处理流程和处理方法具有重要的意义。 本文基于“新光大桥长期健康监测系统”这一工程背景，研究了桥梁健康监测数据的处理流程与处理方法，并将其应用于包括温度、风、静应力、振动、索力和变形在内的新光大桥健康监测数据处理中，为后续的健康评估提供准确可靠的数据支持。 本文的主要工作包括： (1)在总结近年来国内外桥梁健康监测系统和桥梁健康监测数据处理方法现状和发展的基础上，明确了新光大桥健康监测数据处理流程及处理方法。 (2)新光大桥环境监测数据处理方面所做工作： 在新光大桥实测温度数据的基础上，统计出了新光大桥实测有效温度和钢拱肋实测温度场等规范规定中设计所需的温度参数值；对新光大桥实测风速数据进行了处理，统计分析出了包括日10分钟平均最大风速和风向玫瑰在内的平均风特性以及包括3分钟平均风速、紊流强度、紊流积分尺度和脉动风功率谱密度函数在内的脉动风特性。 (3)新光大桥结构响应监测数据处理方面所做工作： 在新光大桥实测静应变数据的基础上，进行了数据转换、可靠性检验和应力分离等数据处理工作，提出了基于样本的自适应异常数据剔除算法，同时利用相关分析和回归分析等数据处理手段，从总应力中分离出了温度应力、恒载应力与随机活载应力。 在新光大桥实测振动数据的基础上，采用Pp法和SSI法识别出了包括固有频率、模态阻尼比和振型等在内的新光大桥实测模态参数。 在新光大桥实测吊杆振动数据的基础上，采用频率法计算了索力并根据新光大桥吊杆特点提出一套自适应索力自动计算方法，实现了索力的自动计算。 在新光大桥实测GPS变形数据的基础上，进行了包括基线网结果解算、坐标转换、粗差剔除和平滑处理等在内的数据处理工作，得到了新光大桥的变形。 (4)基于前述数据处理流程和方法开发了新光大桥健康监测系统的系统监测与控制软件和数据查询与统计分析软件。 本文的主要结论包括： (1)新光大桥钢拱肋各不同位置的实测温度差异明显，而设计中仅考虑了整体升降温影响，因此在后续全桥构件承载能力评估的温度作用修正时应同时考虑整体升降温和温差的影响。 (2)新光大桥实测10分钟平均最大风速水平较低，与设计风速值距离较远；桥面高度处实测紊流强度均值大于规范推荐值，而实测紊流积分尺度均值则要小于规范推荐值，同时实测纵向风功率谱与规范推荐的Simiu谱比较吻合。 (3)新光大桥基于样本的自适应异常数据剔除算法可有效剔除应力监测异常数据；应力分离算法能够有效分离出恒载应力、温度应力和随机活载应力；从实测应力处理结果来看，新光大桥恒载应力在总应力中所占比重较大，而温度应力则在总应力变化中占主导地位，随机活载应力对总应力变化影响较小。 (4) Pp法和SSI法对新光大桥固有频率和模态振型的识别都有较高的可信度，而对于阻尼比计算SSI法优于Pp法，Pp法的计算结果可信度不高。从实测振动数据处理结果来看，新光大桥实测固有频率与理论值吻合较好，同时可识别较为高阶的固有频率和振型。 (5)本文提出的自适应索力自动计算方法适用于索力变化较为平缓的运营期桥梁结构的索力监测。