基于非线性动力学的桥梁长期监测安全评估技术研究

论文摘要

常规的桥梁定期外观检查操作简单,但其结论的可信程度取决于评估者的工作经验和判断能力,受人为的主观因素影响较大。桥梁荷载试验检测对于新桥投入使用前或桥梁受到意外损伤时的安全性评估具有积极的意义,然而荷载试验需中断交通,重复花费大量的人力、物力、财力等,其费用相对较高,并且只能适合于某个时段,存在时效性较差的问题。桥梁远程监测则具有安全、实时、连续、及时预警预报的特点,是国际桥梁研究的方向和热点。目前,主要是从静态和动态评估方法入手对长期健康监测的在役桥梁进行安全评估,但是无论是静态评估法还是动态评估法均存在一定的不足。本文旨在从桥梁结构本质非线性动力行为出发,在掌握大量监测信息基础上,通过提取系统特征,实现了对在役桥梁的安全状态评估研究。首先,基于对非线性混沌动力行为的了解和认识,在对动力行为三种非线性影响因素进行分析的基础上,借助数学手段,由考虑系统的Melnikov函数的简单零点得到了复杂结构Smale马蹄意义下的混沌产生条件,从而揭示了复杂结构非线性动力系统行为演化的实质;其次,针对桥梁结构抗力除了受到其自身变化影响因素的影响外,还受到多种不确定因素的影响,利用常规的功能函数Z = R ?S来判断结构的安全状态已受到限制的状况,本文另辟蹊径,充分利用大型桥梁健康监测信息,从系统反映在役桥梁结构自身变化的某个变量的时间序列来了解系统状态出发,提出了基于混沌系统特征的在役桥梁安全状态评估理论和方法;最后,通过数值模拟实验和实桥应用,分别验证了基于混沌系统特征的在役桥梁长期监测安全评估技术的可行性和有效性。本论文研究成果对推动桥梁安全监测评估技术的理论化、系统化发展具有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 在役桥梁安全评估国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 在役桥梁长期健康监测安全评估方法
• 1.3.1 静态评估法
• 1.3.2 动态评估法
• 1.4 主要研究内容及取得的成果
• 1.5 主要创新点
• 1.6 本章小结
• 第二章 基于非线性动力学的桥梁长期监测安全评估技术总体方案
• 2.1 原理与方法
• 2.1.1 在役桥梁非线性动力行为
• 2.1.2 实时在线监测数据真实反映桥梁结构自身变化
• 2.1.3 利用系统混沌特征反映桥梁安全状况
• 2.2 总体方案
• 2.3 可靠性分析
• 2.3.1 桥梁非线性动力学研究发展
• 2.3.2 桥梁监测信息丰富可靠
• 2.3.3 系统混沌特征评估结构安全状况的广泛应用
• 2.4 桥梁健康监测系统设计展望
• 2.5 本章小结
• 第三章 非线性动力系统行为分析
• 3.1 非线性混沌动力行为理论研究
• 3.2 非线性对动力行为的影响研究
• 3.2.1 材料非线性对动力行为的影响
• 3.2.2 几何非线性对动力行为的影响
• 3.2.3 非线性边界条件对动力行为的影响
• 3.3 复杂结构非线性动力系统临界条件研究
• 3.3.1 悬臂梁混沌动力系统临界条件研究
• 3.3.2 斜拉索混沌动力系统临界条件研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 在役桥梁监测响应时间序列分析
• 4.1 监测响应时间序列
• 4.2 混沌时间序列
• 4.2.1 时间序列分类
• 4.2.2 混沌时间序列分析流程
• 4.2.3 相空间重构
• 4.3 混沌系统几何不变量的计算
• 4.3.1 关联维数
• 4.3.2 Lyapunov 指数
• 4.4 混沌时间序列平稳性检验
• 4.5 监测数据预处理
• 4.6 本章小结
• 第五章 在役桥梁基于混沌系统特征的安全状态评估方法研究
• 5.1 在役桥梁结构自身变化影响因素分析
• 5.1.1 内在因素
• 5.1.2 外在因素
• 5.2 常规桥梁安全性判定有其局限性
• 5.3 基于混沌系统特征的在役桥梁安全状态评估
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于混沌系统特征的桥梁安全状态评估数值模拟与应用
• 6.1 数值模拟
• 6.1.1 模型的建立
• 6.1.2 模型梁动力响应提取
• 6.1.3 基于系统响应特征的模型梁安全状态评估研究
• 6.2 实桥应用
• 6.2.1 工程概况
• 6.2.2 动力响应监测数据
• 6.2.3 基于系统响应特征的桥梁安全状态评估研究
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 研究工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果