大跨度斜拉桥健康监测系统研究与应用

摘要

本文系统研究大跨度斜拉桥结构健康监测系统的设计与实现方法，以及基于健康监测系统的结构作用、响应及性能分析方法，并开展工程应用研究。　　本文首先针对桥梁结构裂缝损伤的普遍性和严重性，利用碳纤维材料良好的本征性和智能感知特性，发展桥梁结构裂缝监测碳纤维传感器。为此，通过试验，系统研究无胶基和环氧树脂基碳纤维复合材料的力电特性，针对碳纤维复合材料力电特性的特点，研制桥梁结构大应变裂缝监测元件——碳纤维传感器，建立碳纤维传感器设计方法。　　本文研究建立大跨度斜拉桥结构健康监测系统设计与实现方法；针对大跨度斜拉桥结构健康监测系统的传感器的特点，研究大跨度斜拉桥结构健康监测系统的数据采集方案和系统，编制开发多种传感器的数据采集软件；研究大跨度斜拉桥结构健康监测系统数据管理子系统的结构和功能，开发建立基于网络的数据管理系统；研究健康监测系统的集成技术。采用上述研究成果，设计、实施并运行山东滨州黄河公路大桥健康监测系统，验证本文建立的大跨度斜拉桥结构健康监测系统设计方法与实现技术的合理性和可行性。研究了基于健康监测系统的大跨度斜拉桥结构作用、响应和性能分析方法，包括风荷载特性统计方法，斜拉桥结构模态参数识别方法，斜拉桥结构静动力响应分析方法；基于山东滨州黄河公路大桥健康监测系统采集的数据，统计建立桥位处的风荷载，分析识别山东滨州黄河公路大桥的多阶自振频率，分析山东滨州黄河公路大桥在成桥静动力试验和运营服役阶段的静动力响应及其特点与水平。　　针对目前模型修正技术不能很好地解决大跨度斜拉桥结构有限元模型修正中结构自由度数多、监测信息少的问题，首先研究了大跨度斜拉桥结构桥塔和斜拉索的模态独立特征，提出了大跨度斜拉桥模态子结构模型修正方法；采用大跨度斜拉桥模态子结构模型修正方法，基于特征值灵敏度，分别修正了山东滨州黄河公路大桥的中塔、斜拉索和桥面系的结构参数，建立了山东滨州黄河公路大桥修正有限元模型；通过成桥静力加载试验实测值和计算值的比较，验证了修正有限元模型的精度；采用修正有限元模型，对山东滨州黄河公路大桥在设计荷载下的反应进行了计算分析，研究了基于斜拉索破坏失效模式和主梁失效模式的桥梁极限承载力，为该桥的安全预警提供了科学依据。最后，以山东滨州黄河公路大桥为例，初步建立大跨度斜拉桥结构健康监测的Benchmark标准验证模型。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景、来源与意义

1.2桥梁结构健康监测智能传感元件的研究与应用

1.2.1光纤光栅传感器的研究与应用

1.2.2压电传感器的研究与应用

1.2.3形状记忆合金传感元件的研究

1.2.4碳纤维复合材料感知特性研究

1.2.5无线传感器及其网络的研究与应用

1.3结构有限元模型修正技术研究

1.3.1基于整体性态的结构模型修正技术

1.3.2基于局部性态的结构模型修正技术

1.4桥梁结构健康监测系统研究与应用

1.4.1结构健康监测发展概述

1.4.2国外桥梁结构健康监测系统的研究与应用

1.4.3国内桥梁结构健康监测系统的研究与应用

1.5本文的主要研究内容

第2章桥梁结构大应变或裂缝监测元件碳纤维传感器研究

2.1引言

2.2无胶基碳纤维布自监测特性与建模

2.2.1试验概况

2.2.2试验系统和试验过程

2.2.3试验结果与分析

2.3环氧树脂基碳纤维复合材料自监测特性与建模

2.3.1试验概况

2.3.2试验结果与分析

2.4碳纤维大应变监测传感器

2.5本章小结

第3章大跨度斜拉桥结构健康监测系统设计方法

3.1引言

3.2健康监测系统总体设计原则

3.2.1健康监测系统的监测内容

3.2.2健康监测系统的等级

3.2.3健康监测系统的功能

3.3传感器测点优化与选型原则

3.3.1传感器及其测点优化

3.3.2传感器选型原则

3.4数据采集系统的硬软件及其总线方案

3.4.1数据采集系统的硬件和总线方案

3.4.2数据采集系统的软件

3.4.3数据采集与存储策略

3.5数据传输技术

3.6损伤识别、模型修正与安全评定模块

3.7数据管理系统的设计原则与功能

3.8健康监测系统的集成技术

3.9健康监测系统与桥梁结构其它系统的共享原则

3.10山东滨州黄河公路大桥健康监测系统的设计

3.10.1山东滨州黄河公路大桥

3.10.2山东滨州黄河公路大桥有限元模型

3.10.3山东滨州黄河公路大桥静动力分析

3.10.4山东滨州黄河公路大桥监测测点选择与传感器布置

3.10.5山东滨州黄河公路大桥健康监测系统设计

3.11本章小结

第4章大跨度斜拉桥健康监测数据采集和管理及系统集成技术

4.1引言

4.2数据采集技术

4.2.1动态信号数据采集技术

4.2.2静态信号数据采集技术

4.3数据采集方案

4.4数据采集系统软件开发与应用

4.4.1数据采集系统软件开发平台

4.4.2数据采集系统软件对硬件支持分析

4.4.3数据采集系统软件开发与应用

4.5数据管理系统设计与开发

4.5.1数据库子系统结构设计

4.5.2数据库的功能

4.6数据集成技术

4.6.1健康监测系统集成软件平台和模式分析

4.6.2软件集成技术

4.6.3基于网络的系统集成技术

4.7山东滨州黄河公路大桥健康监测系统实现与应用

4.7.1系统简介

4.7.2成桥试验监测结果

4.7.3桥梁运营监测结果

4.8本章小结

第5章基于健康监测系统的斜拉桥结构作用和响应及性能分析方法

5.1引言

5.2风荷载分析方法

5.2.1风速实测数据处理方法

5.2.2脉动风速湍流特性分析方法

5.3斜拉桥模态参数分析方法

5.3.1多自由度动力系统的频响函数

5.3.2基于环境激励的斜拉桥频率识别方法

5.4山东滨州黄河公路大桥风荷载特性

5.4.1风速样本

5.4.2平均风速、风向角和风攻角统计分析

5.4.3纵向、横向和竖向湍流强度统计分析

5.4.4脉动风速谱

5.4.5风速空间相关性

5.5山东滨州黄河公路大桥动力响应与模态参数

5.5.1中塔塔顶振动分析

5.5.2桥面振动分析

5.5.3斜拉索振动分析

5.5.4山东滨州黄河公路大桥模态参数

5.6山东滨州黄河公路大桥实测应变分析

5.7本章小结

第6章基于健康监测系统的斜拉桥模态子结构模型修正方法

6.1引言

6.2斜拉桥模态子结构特征

6.2.1斜拉索子结构特征与提取

6.2.2桥塔模态子结构特征与提取

6.3基于物理参数灵敏度的斜拉桥子结构模型修正方法

6.3.1基于灵敏度的物理参数识别方法

6.3.2斜拉索频率和索力识别方法

6.3.3斜拉索初始索力识别方法

6.4斜拉桥结构修正模型正确性验算方法

6.5山东滨州黄河公路大桥修正有限元模型

6.5.1桥塔有限元模型修正

6.5.2斜拉索索力修正

6.5.3桥面有限元模型修正

6.5.4基于成桥试验的修正有限元模型验证

6.6山东滨州黄河公路大桥的动力特性与响应—基于修正的有限元模型

6.6.1动力特性

6.6.2动力响应

6.6.3静力反应

6.7山东滨州黄河公路大桥极限承载能力分析—基于修正的有限元模型

6.7.1基于斜拉索疲劳失效模式的极限承载力分析

6.7.2基于主梁失效模式的极限承载力分析

6.8本章小结

第7章大跨度斜拉桥结构健康监测Benchmark标准验证模型

7.1引言

7.2结构健康监测Benchmark标准验证模型研究概况

7.3斜拉桥结构健康监测Benchmark标准验证模型初探

7.3.1斜拉桥结构健康监测Benchmark标准验证模型的目标

7.3.2斜拉桥结构健康监测Benchmark标准验证模型的建立

7.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及学位论文使用授权书

致谢

个人简历