论文摘要
施工监控、荷载试验及运营健康监测是大型桥梁结构从施工到运营期间不可或缺的组成部分,分别为桥梁的设计、施工、使用和维修决策提供性能、状态信息和科学依据。三者在时间上顺次衔接,在监测内容、监测手段、技术路线上有相同之处,在监测设备及监测信息上有共享内容。将三者综合考虑进行三位一体设计、建立桥梁全寿命监测系统,无论是从经济角度还是从监测系统的完整性、监测信息的衔接等方面来说,均是最合理的。本文综合分析了国内外大型桥梁监测系统及性能分析、安全评定研究现状,以东营黄河公路大桥为工程依托,提出、设计和实现了大跨度刚构-连续梁桥施工监控、荷载试验及运营健康监测等三位一体的全寿命监测系统,比较深入系统地分析了各阶段的监测数据与结构状态性能,解决了一些相关的关键科学技术问题。主要研究内容如下:第一,本文提出、规划和设计了刚构-连续梁桥的全寿命监测系统。通过对监测系统方案进行成本-投资分析,确定了桥梁全寿命监测系统的目标、功能要求与设计准则;在此基础上,分施工监控、荷载试验及运营健康监测等三个阶段详细介绍了刚构-连续梁桥全寿命监测的项目与内容,对传感器尤其是应变及温度传感器的选型原则及标准进行了说明,对测点优化选取问题进行了分析;立足于元件共享及信息共享,规划、分析、设计和实现了全寿命监测建成系统。第二,针对关键内力及线形控制目标,进行了桥梁施工过程力学状态参数敏感性分析。从混凝土材料特性、预应力及预应力损失、构件几何特性、施工临时荷载、环境条件几个方面共选取了15个状态参数,分析了它们的变异性。根据施工过程及长期运行状态下结构线形顺适及内力均匀合理的总体要求,确定了施工与成桥状态的4个控制目标。通过调整状态参数并进行大量的结构计算,得到了控制目标值并对其进行了归一化处理,分析了控制目标对于各状态参数的敏感程度,最终确定了不同控制目标下的主要状态参数及次要状态参数。基于混凝土材性实验,利用混凝土主要参数的实验值对结构模型直接进行修正,并利用静载试验及模态实验检验了该模型修正方法的有效性。第三,将灰色控制理论、卡尔曼滤波法及神经网络方法引入到主梁悬臂施工线形控制中,并对三者的线形控制效果进行了比较分析。将各梁段的挠度数据理论值与实测值的比值、差值分别作为状态变量建立灰色系统模型,根据数据预处理方式、模型反馈校正方式的不同,共建立8种灰色系统模型分别进行挠度预测及线形控制,比较东营黄河公路大桥3个“T构”施工监控的实测数据,对8种模型的控制效果进行了比较分析。将梁段挠度作为状态变量,引入了一个遗忘因子,进行了自适应卡尔曼滤波,通过一步预测进行线形控制。根据现场经验及观测数据分析,建立了一个BP神经网络模型进行挠度偏差预测。将8种灰色理论模型中控制效果最好的差值型-预处理数据-新陈代谢GM（1,1）模型与卡尔曼滤波及神经网络模型进行了比较分析。第四,对大型刚构-连续梁桥的温度及温度效应进行了全面、系统的分析。在施工过程中,选取典型断面进行了温度场试验,并对最大悬臂状态的T构主梁的线形进行了同步观测,总结了温度梯度及其两个主要参数的变化规律,将三维温度场问题简化为一维温度梯度问题。对运营监测系统记录的季节温度及温度梯度进行了概率统计分析,并拟合了它们的概率密度函数;对两者标准值引起的结构应力效应与规范规定的温度梯度模式效应进行了对比,进一步将季节温度和温度梯度的组合效应与设计汽车荷载效应进行了比较。以温度作为输入矢量,以模态频率作为输出矢量,建立了基于单截面温度分布和多截面温度分布的两种BP神经网络模型,进行拟合及预测效果的对比分析。对同一地区的气象温度数据进行了分析,将气象温度与监测系统记录的温度数据的统计参数进行了对比。第五,基于监测系统记录的多类别监测信息和蒙特卡罗法,对大型刚构-连续梁桥全寿命期间的时变可靠度进行了定量分析。在结构抗力方面,对28天混凝土强度进行了统计分析及K-S假设检验,确定了其服从的概率分布函数;基于应力时程曲线,对结构的疲劳损伤进行了分析,进而对既有混凝土强度经时变化模型进行了修正。在恒载效应方面,对应变的实测值与理论值的相对偏差进行了统计分析。在活载方面,对作用于结构的车辆数及车重进行了分析、假设检验,确定了其概率分布规律。结合温度数据的统计分析结果,进行了基于监测荷载和基于设计荷载两种荷载模式的结构失效概率数值模拟计算,对比分析了两种荷载模型下的主要失效区域、失效概率大小,对失效原因进行了阐述,并分析了可靠度的时变性。