斜拉桥健康监测系统传感器优化布置研究

论文摘要

桥梁健康监测作为一种可以有效获取桥梁结构信息、识别桥梁损伤的方法,可以为桥梁的安全状况评定和管理决策提供科学依据,在近几年受到了广泛的重视。而健康监测系统中传感器布置的优劣直接关系到整个系统的效率和精度。传感器优化布置就是要使用更少的传感器获取更多的桥梁结构信息,并使获取的信息能够更利于桥梁损伤的识别。斜拉桥是现代大跨度桥梁中十分常见的类型,对其健康监测系统中的传感器进行优化布置研究具有非常重要的意义。本文针对斜拉桥的结构特点和行为特征,结合已有的布置原则,对此问题进行了系统的探讨。在大型通用有限元分析软件Ansys中建立了三维斜拉桥模型,对此模型进行了模态分析、应变分析和温度分析,依此分析出了桥梁的振动、应变与温度等结构行为特性,并将分析结果作为传感器布置的重要依据；根据斜拉桥所处环境和常见损伤类型,选择了传感器的类型,并得出了其技术指标要求；通过研究斜拉桥损伤识别方法和损伤结构行为,确定了健康监测所需加速度传感器的数目；在传感器优化理论的指导下,利用遗传算法搜索的方法,结合传统经验和桥梁有限元分析结果,对各类传感器进行了优化布点；最后,总结出了适用于一般斜拉桥的传感器优化布置方法,并进行了试验研究,验证了有限元模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 桥梁健康监测系统简介
• 1.1.2 传感器优化布置的必要性
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 传感器优化布置准则研究现状
• 1.2.2 传感器布点搜索方法研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 1.3.1 本文主要研究内容
• 1.3.2 本文研究意义
• 第二章 斜拉桥有限元分析
• 2.1 斜拉桥模型简介
• 2.2 有限元模型的建立
• 2.2.1 斜拉桥有限元建模需要解决的问题
• 2.2.2 单元类型的选择
• 2.2.3 材料属性的设定
• 2.2.4 单元实常数与截面形式的设定
• 2.2.5 几何模型的建立与网格划分
• 2.2.6 边界条件的设定
• 2.3 斜拉桥模态分析
• 2.3.1 模态分析选项的设置
• 2.3.2 模态结果分析
• 2.4 斜拉桥应力应变分析
• 2.4.1 车辆载荷模拟方法的选择
• 2.4.2 车辆载荷的施加
• 2.4.3 桥梁应力分析结果
• 2.5 斜拉桥温度分析
• 2.5.1 单元类型的选择与温度参数的确定
• 2.5.2 温度边界条件的施加
• 2.5.3 桥梁温度场分布
• 2.6 本章小结
• 第三章 传感器的选择及数目估计
• 3.1 健康监测所需的传感器类型确定
• 3.1.1 混凝土斜拉桥的主要病害
• 3.1.2 斜拉桥健康监测内容
• 3.1.3 监测所需的传感器类型
• 3.2 传感器主要技术指标要求
• 3.2.1 加速度传感器技术指标要求
• 3.2.2 应变传感器技术指标要求
• 3.2.3 其他类型传感器技术指标要求
• 3.3 斜拉桥主梁损伤识别方法
• 3.3.1 曲率模态的计算
• 3.3.2 曲率振型规范化处理
• 3.3.3 曲率振型零点特殊处理
• 3.3.4 损伤程度估计
• 3.4 加速度传感器数目确定
• 3.4.1 加速度传感器数目问题的分析
• 3.4.2 桥梁损伤对曲率振型变化的影响规律
• 3.4.3 加速度传感器数目估计
• 3.5 本章小结
• 第四章 斜拉桥传感器位置优化
• 4.1 修正有效独立法
• 4.2 加速度传感器位置优化
• 4.2.1 优化目标函数的确定
• 4.2.2 搜索算法的选择
• 4.2.3 遗传算法流程
• 4.2.4 传感器布点的遗传算法搜索
• 4.2.5 布点结果分析
• 4.3 应变传感器位置优化
• 4.3.1 斜拉桥传统应力控制截面
• 4.3.2 桥梁模型应变分布
• 4.3.3 主梁应变传感器布置
• 4.3.4 索塔应变传感器布置
• 4.4 温度传感器位置优化
• 4.4.1 主梁温度传感器布置
• 4.4.2 其它结构温度传感器布置
• 4.5 索力传感器的位置优化
• 4.6 斜拉桥传感器优化布置方法总结
• 4.7 本章小结
• 第五章 斜拉桥模态测试试验
• 5.1 试验目的
• 5.2 试验原理
• 5.3 试验设备
• 5.4 试验内容与步骤
• 5.5 试验结果分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究成果