乌江二桥健康监测状态评估系统研究

论文摘要

随着大跨径桥梁的设计日趋轻柔化、结构形式与功能逐渐复杂化,桥梁结构的安全运营已成为关系到国计民生的重大问题。由于桥梁结构投资巨大、使用年限长、易受环境影响而发生劣化、长期承受动荷载等特点,因此对桥梁结构进行长期的健康监测及状态评估迫在眉睫。论文根据乌江二桥自身的特点,参考已建的健康监测评估系统,建立了适合乌江二桥的健康监测状态评估系统。利用实时在线的健康监测技术实现了对桥梁结构运营阶段的状况评估。研究的主要内容为:①在吸收和采纳国内外桥梁评估研究成果的基础上,基于变权综合原理的层次分析法,建立了乌江二桥健康监测评估指标体系的递阶关系模式,并提出了适合乌江二桥运营阶段的综合评估方法,同时给出了监测指标的初始权重。②通过有限元分析,掌握了结构的静动力特点。找到了结构的易损部位,为传感器的合理布设提供了指南,据此确立了传感器的基本量程与监测指标的阈值。③制定了状态评估参数监测方案。依据科学实用、完整开放、可靠性强的基本原则,结合结构的静动力分析,建立了传感器子系统,包括传感器的种类、布点位置和数量,实现了桥梁结构的实时在线监测。④采用回归分析的方法,将大量监测到的数据预处理,消除了温度对监测数据的影响。⑤利用傅里叶变换的基本理论实现振动信号的时、频域转换,在峰值法的基础上,应用功率谱频差法、倒频谱分析法对斜拉索基频进行识别,得到了准确、可靠的拉索索力值。⑥对实时监测的海量数据进行了统计模式的分析,建立了监测指标的短期模式与长期模式,找到了外界因素对监测指标改变的影响规律。⑦对监测指标进行了状态评估,得出了监测构件的服役状况。以C++语言为平台,编制了算法程序,开发了乌江二桥健康监测综合评估系统软件。本文的研究工作为乌江二桥健康监测与状态评估系统的建立提供了实用、有效的解决方案,为同类型桥梁结构服役期间状态评估系统的建立提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 桥梁结构健康监测系统概述
• 1.1.1 桥梁结构健康监测的概念
• 1.1.2 桥梁结构健康监测系统的构成
• 1.1.3 桥梁结构健康监测的深远意义
• 1.2 桥梁结构健康监测状态评估系统研究
• 1.3 桥梁健康监测及状态评估尚存的主要问题
• 1.4 桥梁健康监测及状态评估的发展趋势
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 状态评估方法研究
• 2.1 层次分析法简介
• 2.2 层次分析法的特点及基本步骤
• 2.3 变权综合原理
• 2.4 层次分析法在乌江二桥中的应用
• 2.4.1 乌江二桥递阶层次结构的建立
• 2.4.2 各层次判断矩阵的构造
• 2.4.3 单一元素相对权重的确定
• 2.4.4 判断矩阵的一致性检验
• 2.4.5 指标权重确立
• 2.5 底层评估指标的无量纲化
• 2.6 有关底层评估指标的说明
• 2.6.1 第一类评估指标评语的确定
• 2.6.2 第二类评估指标的量化处理
• 2.6.3 第三类评估指标评语的确定
• 2.6.4 非均匀变化系数的确定
• 2.7 固有模态评定
• 2.8 变权综合评估
• 2.9 本章小结
• 第三章 乌江二桥静、动力分析
• 3.1 涪陵乌江二桥特点简介
• 3.2 涪陵乌江二桥有限元模型建立
• 3.2.1 结构各主要部位及边界条件的模拟
• 3.2.2 结构限元模型的建立
• 3.2.3 结构荷载效应
• 3.2.4 混凝土的收缩、徐变
• 3.3 单一荷载作用下结构受力分析
• 3.3.1 恒载作用下计算分析
• 3.3.2 活载作用下计算分析
• 3.3.3 斜拉索与主梁、索塔温差效应分析
• 3.4 荷载组合效应下结构受力分析
• 3.4.1 主梁位移分析
• 3.4.2 主梁应力分析
• 3.4.3 斜拉索索力分析
• 3.5 动力特性分析
• 3.5.1 斜拉桥动力特性的主要特点
• 3.5.2 斜拉桥振型、模态计算理论
• 3.5.3 动力特性分析的有限元模拟
• 3.5.4 乌江二桥动力分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 状态评估参数监测方案
• 4.1 监测参数的确定
• 4.2 监测系统的设计原则
• 4.3 监测方案的确立
• 4.3.1 主梁挠度监测
• 4.3.2 主梁纵向位移监测
• 4.3.3 索塔位移、变形监测
• 4.3.4 主梁应力监测
• 4.3.5 主塔应力监测
• 4.3.6 温度参数监测
• 4.3.7 斜拉索索力监测
• 4.3.8 结构动态特性监测
• 4.4 传感器监测数据阈值的确定
• 4.5 传感器基本量程的确定
• 4.6 底层指标权重的确定
• 4.6.1 应力测点权重的确定
• 4.6.2 斜拉索索力测点权重的确定
• 4.6.3 挠度测点权重的确定
• 4.7 本章小结
• 第五章 桥梁实时监测数据预处理
• 5.1 应变监测数据的温度修正
• 5.1.1 应变—温度的回归模型
• 5.1.2 对参数β0 、β1 的最小二乘估计
• 5.1.3 线性回归显著性检验
• 5.1.4 温度修正的MATLAB 实现
• 5.2 基于傅里叶变换的斜拉索索力振动数据处理
• 5.2.1 傅里叶分析简介
• 5.2.2 基于功率谱频差法的拉索索力研究
• 5.2.3 基于倒频谱分析的拉索索力研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 统计模式分析及状态评估
• 6.1 实时监测数据的统计模式分析
• 6.1.1 短期模式分析
• 6.1.2 长期模式分析
• 6.2 监测项目状态评估
• 6.2.1 斜拉索状态评估
• 6.2.2 主梁线形评估
• 6.3 乌江二桥实时监测评估系统软件开发
• 6.3.1 C++语言的优势及特点
• 6.3.2 评估系统设计的原则和技术要求
• 6.3.3 评估系统软件的功能设计
• 6.3.4 评估系统界面设计
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 取得的主要研究成果
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果