杭州湾跨海大桥70米箱梁结构耐久性及健康监控研究

论文摘要

耐久性问题以及结构健康评估是跨海大桥安全运营中最重要内容之一。本文以杭州湾跨海大桥70米预应力混凝土箱梁结构的耐久性评估和健康监测为对象,根据结构特征和杭州湾的海域环境特点,应用混凝土结构基本理论、力学原理、系统理论、测试技术、信号分析处理、图形学、信息网络、耐久性、可靠性、动力损伤识别、人工神经网络以及概率统计分析等理论方法分析了结构使用寿命的主要影响因素以及耐久性失效概率随服役时间的变化规律,研究设计了跨海桥梁的健康监测系统,并对信号处理技术和损伤识别方法等进行了探讨,提出了采用HHT变换进行非平稳信号处理的理论基础和分析技术,建立了基于人工神经网络的70米箱梁结构动力损伤诊断系统,为大桥运营管理提供了理论依据和测试、信号分析方法。本文通过一系列研究工作,得出了以下几个方面的结论:(1)基于混凝土保护层厚度、氯离子初始浓度、氯离子扩散系数、氯离子临界浓度以及结构表面氯离子浓度等影响因素的概率分布特征,提出了70米箱梁结构耐久使用寿命的统计分布特征和概率密度函数。给出了70米箱梁结构耐久性失效概率随服役时间的变化规律,并基于不同抗力水平对70米箱梁结构的脱钝前锋面进行了随机动态可靠性预测分析,为70m箱梁结构的耐久性评估建立了理论预测手段。(2)提出了适用于大型跨海桥梁健康监控系统以及信号采集、传输技术。阐述了健康监控系统的总体概况、传感器子系统、信号的采集与传输、处理与控制子系统以及结构健康综合子系统的设计原则、内容及实施方法。(3)基于响应面方法建立了信号采样点间的递推关系,解决了HHT信号处理中的边界延拓问题;利用奇异值理论,证明了由最小二乘问题导出的线性方程组的基于奇异值分解得到的广义逆是原线性最小二乘问题的解,解决了目标函数的Hessian矩阵非正定时所存在的收敛性问题。改进了利用HHT诊断实际桥梁结构损伤的精度,为该技术在实际工程应用的可行性进行了有益的探索。(4)基于杭州湾跨海大桥70米箱梁结构的设计构造特点,建立了基于人工神经网络的70米箱梁结构动力损伤诊断系统,可有效识别杭州湾跨海大桥70米箱梁结构局部刚度损伤的位置和程度,补充和完善了杭州湾跨海大桥70米箱梁结构健康监控系统,为确保杭州湾跨海大桥的正常安全使用,具有一定的理论和工程实际应用意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 桥梁耐久性及健康监控的研究意义和背景
• 1.2 结构耐久性研究现状
• 1.2.1 海洋环境腐蚀性的区域划分
• 1.2.2 耐久性检测技术的完善及相关评定标准的统一
• 1.2.3 混凝土结构的优化维修决策理论
• 1.3 桥梁健康监控的研究现状
• 1.3.1 系统设计的传感器优化布设
• 1.3.2 结构损伤识别
• 1.4 本文的主要研究工作
• 本章参考文献
• 第2章 杭州湾跨海大桥工程概况
• 2.1 概述
• 2.2 自然环境条件
• 2.3 主要技术标准和结构总体布置
• 2.4 70米箱梁结构设计和施工工艺
• 2.4.1 箱梁结构构造
• 2.4.2 预应力钢束布置
• 2.4.3 70米整孔预制箱梁的施工工艺
• 2.5 桥梁结构耐久性设计
• 2.6 小结
• 本章参考文献
• 第3章 基于氯离子侵蚀的70米箱梁耐久性随机分析
• 3.1 概述
• 3.2 杭州湾海域环境腐蚀性分析
• 3.2.1 杭州湾海域环境特点
• 3.2.2 海洋环境下混凝土结构的基本腐蚀机理
• 3.3 70米箱梁结构的耐久使用寿命分析
• 3.3.1 基于氯离子侵蚀的70米预应力箱梁结构的腐蚀损伤
• 3.3.2 氯离子在混凝土中的扩散
• 3.4 70米箱梁结构耐久使用寿命的随机分析
• a'>3.4.1 混凝土保护层厚度^a
• C₀'>3.4.2 氯离子初始浓度^C₀
• D'>3.4.3 氯离子扩散系数^D
• cr'>3.4.4 氯离子临界浓度C_cr
• C_s'>3.4.5 结构表面氯离子浓度^C_s
• t₀的概率分布特性'>3.4.6 70米箱梁结构耐久使用寿命^t₀的概率分布特性
• 3.5 基于可靠性的脱钝前锋面随机分析
• 3.5.1 预埋梯形阳极系统
• 3.5.2 基于可靠性的脱钝前锋面随机分析
• 3.6 小结
• 本章参考文献
• 第4章 70米箱梁结构健康监控系统设计
• 4.1 概述
• 4.2 70米箱梁结构健康监控系统总体方案
• 4.2.1 系统设计原则和监测目标
• 4.2.2 70米箱梁结构健康监控系统集成
• 4.2.3 系统软、硬件配置方案
• 4.2.4 系统运行自诊断及维护程序方案
• 4.2.5 系统与施工阶段控制、成桥动静载试验等之间的关联
• 4.3 传感器子系统
• 4.3.1 监控项目的拟定
• 4.3.2 测试技术和监控方案的确定
• 4.3.3 传感器选型原则
• 4.4 信号的采集与传输、处理与控制子系统
• 4.4.1 信号的采集与传输子系统
• 4.4.2 数据处理与控制子系统
• 4.5 结构健康综合评估子系统
• 4.5.1 结构状态识别子系统
• 4.5.2 结构健康评估子系统
• 4.6 小结
• 本章参考文献
• 第5章 基于HHT的数据采集信号的分析处理
• 5.1 概述
• 5.2 内蕴模式函数（IMF）和经验模态分解（EMD）
• 5.3 EMD的边界问题及其处理办法法
• 5.3.1 镜像映射法
• 5.3.2 神经网络法
• 5.3.3 自回归模型法
• 5.3.4 基于响应面的边界延拓方法
• 5.4 奇异值分解在边界延拓中的应用
• 5.5 模拟信号的边界延拓及其经验模态分解
• 5.5.1 算例1
• 5.5.2 算例2
• 5.5.3 算例3
• 5.5.4 算例4
• 5.6 实测信号的边界延拓和经验模态分解
• 5.7 HHT在桥梁损伤诊断中的应用
• 5.8 小结
• 本章参考文献
• 第6章 基于人工神经网络的70米箱梁结构动力损伤识别
• 6.1 概述
• 6.2 人工神经网络模型的构建
• 6.2.1 人工神经网络的基本理论
• 6.2.2 人工神经网络输入参数的选取
• 6.3 杭州湾跨海大桥70米箱梁损伤识别的数值仿真模拟
• 6.3.1 计算模型和完好时的结构固有频率
• 6.3.2 刚度损伤对结构固有频率的影响
• 6.3.3 刚度损伤对结构振型曲率的影响
• 6.4 基于人工神经网络的刚度损伤识别
• 6.5 小结
• 本章参考文献
• 第7章 结论与展望
• 7.1 本文主要研究结论
• 7.2 对本课题研究的展望
• 博士研究生期间发表论文清单