大跨度桥梁健康监测传感器优化布置与损伤识别研究

摘要

处于正常运营期间的桥梁，由于动静荷载的作用、材料特性随时间的变化以及桥梁所处环境的影响等多种因素，将不可避免地产生损伤，最终导致结构整体功能的削弱。桥梁健康监测系统是桥梁在正常使用过程中捕捉桥梁信息、判断桥梁健康特征的重要手段，构建完善的系统能够及时反映桥梁出现的问题，保证人民群众的人身安全，避免经济的大量损失，其中传感器子系统和诊断与预警子系统是桥梁健康监测系统的两个重要组成部分。如何在保证采集信息完整的前提下节约传感器子系统的造价，优化传感器的采用数量和布置位置，并通过该系统采集的信息识别桥梁产生的损伤是近年来研究的热点。 本文首先针对大跨桥梁的传感器优化布置问题，结合遗传算法和嵌套分区算法提出了适用于解域庞大、离散变量多、极值密集问题的嵌套层迭遗传算法，并建立了算法的完整数学结构。利用两个基准函数测试对比了新型算法和传统遗传算法的优化能力，得到新型算法优化能力更为突出的结论。然后基于乌海黄河特大矮塔斜拉桥的工程实例，建立了ANSYS有限元实体模型，并进行了相应的动力模态分析。依据该类桥梁的结构特点和动力特性，确定桥梁的主要监测对象。最后根据监测对象分别采用相应的优化布置准则，利用嵌套层迭遗传算法对该工程实例进行计算，得到了较为全面的传感器布置方案。为了推广新型算法对不同问题的适用性，本文依据依托工程的简化模型数据计算分析了新型算法所包含参数的敏感性，给出了相应参数的取值范围，为同类问题的计算提供了参考。 在采用了相应的传感器布置方案后，本文依据其中加速度传感器的布置方案，测试了近年研究较多的曲率模态法、柔度曲率差法和均匀荷载面法三种损伤识别指标。将矮塔斜拉桥按照受力和外形特点分区后，采用仿真手段模拟理论上单点与两点损伤的发生，分多个工况研究了指标的识别性。大量数据测试表明，理论上，基于传感器布置方案下的曲率模态法无法进行损伤识别，结合柔度曲率差法和均匀荷载面法能够对大部分损伤进行粗略定位，但是无法精确识别损伤的发生位置和程度，对于该类问题需要进一步研究。 本文研究内容为内蒙古交通科技项目——乌海黄河特大桥健康监测与安全评估系统研究项目的一部分，研究成果可为该项目依托工程健康监测系统的建立提供依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 桥梁健康监测概述

1.1.1 桥梁健康监测的意义

1.1.2 桥梁健康监测系统的组成

1.2 桥梁健康监测研究现状

1.2.1 大跨桥梁传感器优化布置研究现状

1.2.2 损伤识别研究现状

1.2.3 存在的问题

1.3 本文的主要工作

第2章 传感器子系统优化算法模型

2.1 遗传算法

2.1.1 遗传算法简介

2.1.2 遗传算法流程与步骤

2.1.3 遗传算法的优缺点

2.2 嵌套分区算法

2.2.1 嵌套分区算法简介

2.2.2 嵌套分区算法的步骤

2.2.3 嵌套分区算法的优缺点

2.3 传感器优化布置问题

2.4 基于NPA和GA的新型优化算法

2.4.1 算法的编码与初始化

2.4.2 自由分区

2.4.3 子域抽样

2.4.4 分层迭代选择

2.4.5 条件回溯

2.5 NSGA算法的基准函数测试

2.5.1 Sphere函数

2.5.2 Ackley函数

2.6 本章小结

第3章 矮塔斜拉桥有限元分析

3.1 背景工程简介

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 实体模型建立与网格划分

3.2.2 材料参数设定

3.2.3 预应力单元处理

3.2.4 约束及耦合处理

3.3 矮塔斜拉桥模态分析

3.3.1 模态分析选项

3.3.2 模态分析

3.4 矮塔斜拉桥主要健康监测内容

3.5 本章小结

第4章 传感器的数目与位置优化

4.1 针对不同传感器的优化布置准则

4.1.1 加速度传感器优化布置准则

4.1.2 应变传感器优化布置准则

4.1.3 位移与索力传感器优化布置准则

4.2 基于NSGA算法的传感器优化改进策略

4.2.1 最优保存策略

4.2.2 两点交叉与单点变异策略

4.2.3 线性递减的迭代次数

4.2.4 回溯条件

4.3 传感器的数目与位置优化

4.3.1 加速度传感器优化布置

4.3.2 应变传感器优化布置

4.3.3 位移与索力传感器优化布置

4.4 基于实际工程的NSGA算法参数敏感性分析

4.4.1 依托工程简化模型

4.4.2 预设参数

4.4.3 提取数据量参数

4.4.4 回溯条件参数

4.4.5 参数敏感性分析

4.5 本章小结

第5章 基于传感器优化布置的矮塔斜拉桥主梁损伤识别

5.1 损伤识别指标选取

5.1.1 常用损伤识别指标

5.1.2 基于优化传感器布置方案的指标选取

5.2矮塔斜拉桥结构分区

5.3 单点损伤识别

5.3.1 边跨索外区损伤识别

5.3.2 边跨拉索区损伤识别

5.3.3 墩顶无索区损伤识别

5.3.4 中跨拉索区损伤识别

5.3.5 跨中无索区损伤识别

5.4 两点损伤识别

5.4.1 同侧两点损伤

5.4.2 异侧两点损伤

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文的主要工作及结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的成果

攻读硕士学位期间参加的项目