基于振动监测的高速铁路桥梁安全预警方法研究

摘要

随着我国高速铁路的发展，列车的高速运行对桥梁的结构的动力性能提出了更高的要求。而高速铁路桥梁由于结构复杂、高速列车荷载、环境荷载等多种因素作用使其动力特性有别于普通铁路，结构的损伤难以评估，结构工作性能的评定也显得尤为困难。基于振动监测数据的桥梁结构评估和预警方法对桥梁的安全运营具有重要意义，是目前大跨桥梁健康监测领域的热点。结构健康监测系统在大跨桥梁上的成功实施为保证桥梁结构的安全性、适用性、耐久性提供了良好的平台。随着实时监测数据的不断积累，有效分析和处理海量健康监测数据，建立环境作用、列车荷载等于桥梁结构输出状态间关系的响应机理、提升桥梁结构设计水平和分析技术是健康监测领域的重要问题。
　　本文以京沪高铁南京大胜关长江大桥为研究对象，采用健康监测系统获取的监测数据，针对桥梁在列车荷载和温度作用下的动力响应特点，建立基于振动监测的安全预警方法，主要内容包括:
　　(1)研究了大胜关长江大桥在列车作用下的振动响应特点，通过经验模态分解法(EMD)对原始速度监测信号进行滤波，积分得到相应的振动幅值数据;在此基础上准确计算得到在列车荷载作用下主梁的振幅和加速度峰值，并分别考虑与列车车速和结构温度相关性特征。
　　(2)研究了大胜关长江大桥在温度作用下的振动响应特点，重点分析了主梁的振幅，加速度峰值分别与结构温度的相关性特征;利用信息融合技术，准确识别结构长期模态频率，并在此基础上对其与结构温度相关性进行分析。
　　(3)在上述数据分析的基础上，建立基于振动监测的两类安全预警方法:①通过车速一加速度峰值相关性包络图法，建立列车荷载作用下桥梁加速度峰值预警方法;②探究温度作用对结构模态频率的影响机理，基于结构模态频率与温度的相关性特点，并利用均值控制图法，建立针对频率残差的桥梁模态频率预警方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 桥梁健康监测的意义

1．2 桥梁健康监测的研究与应用现状

1．3 高速铁路桥梁健康监测的研究与应用现状

1．4 本文研究背景

1．4．1 京沪高铁南京大胜关大桥概况

1．4．2 大胜关长江大桥结构健康监测系统概况

1．5 本文的目的和主要内容

第二章 列车荷载作用下主梁振动监测分析

2．1 列车荷载工况识别

2．1．1 数据工况识别方法

2．1．2 工况说明

2．2 列车荷载作用下主梁振幅监测结果分析

2．2．1 振幅数值积分处理方法

2．2．2 主梁振幅长期监测结果

2．2．3 主梁振幅与列车车速相关性分析

2．2．4 主梁振幅与结构温度相关性分析

2．3 列车荷载作用下主梁加速度峰值监测结果分析

2．3．1 主梁加速度峰值长期监测结果

2．3．2 主梁加速度峰值与列车车速相关性分析

2．3．3 主梁加速度峰值与结构温度相关性分析

2．4 本章小结

第三章 温度作用对主梁振动特性的影响分析

3．1 大胜关长江大桥温度场分布特征

3．1．1 大胜关大桥温度场监测简介

3．1．2 主梁温度分布特征

3．1．3 主梁关键构件的横截面温差分布特征

3．2 温度作用下主梁振幅监测结果分析

3．2．1 主梁振幅长期监测结果

3．2．2 主粱振幅与温度相关性分析

3．3 温度作用下主梁加速度峰值监测结果分析

3．3．1 主梁加速度峰值长期监测结果

3．3．2 主梁加速度峰值与温度相关性分析

3．4 温度作用下主梁模态频率识别

3．4．1 模态分析基本原理

3．4．2 信息融合技术

3．4．3 桥梁模态频率长期监测结果

3．5 本章小结

第四章 基于振动监测的高速铁路桥梁预警方法

4．1 列车荷载作用下动力响应预警方法

4．1．1 三次样条插值

4．1．2 加速度峰值预警指标

4．2 温度作用下模态频率预警方法

4．2．1 温度作用对桥梁模态频率的影响机理

4．2．2 基于模态频率的监控与异常预警方法

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文