结合HHT及PSO的中承式钢管混凝土拱桥吊杆损伤研究

摘要

中承式钢管混凝土拱桥以其外形美观、大跨度的优势，深受桥梁设计师的关注。然而近年来发生的多起中承式钢管混凝土拱桥坍塌事故，引起了专家学者对其运营状态的重视，吊杆健康程度是影响整座大桥运营寿命的关键，针对中承式钢管混凝土拱桥吊杆损伤识别的研究显得十分重要。 本文以浙江省舟山市江南大桥长期健康监测项目为背景，提出了一套结合希尔伯特-黄变换（HHT）及粒子群优化（PSO）算法的优势，能全面识别吊杆损伤位置、程度以及时刻的方法流程。 要识别江南大桥吊杆损伤，首先需计算吊杆索力，目前大多采用吊杆横向振动频率方程计算，精确识别吊杆基频十分关键。选取适用于非平稳、非线性信号的HHT对江南大桥吊杆加速度信号处理进行深入分析，并编制了HHT程序，验证了HHT识别信号频率以及频率与时间的关系的可行性。引入江南大桥长期健康监测系统实测的吊杆加速度信号，获得了各监测吊杆的基频，对处理后的2号及7号吊杆加速度信号运用HHT时频谱图分析，完成了对识别吊杆损伤时刻的验证。 为提高吊杆索力计算的精度，考虑吊杆上、下端复杂边界条件，吊杆上端与拱肋连接处拱肋附加参振质量及吊杆下端与吊点横梁连接处吊点横梁附加参振质量，增加了附加参振质量的转动自由度，建立了更符合实际的吊杆振动力学模型。得到了由梁模型推导的吊杆索力隐式方程，并用瑞利法导出了吊杆索力显式公式。根据对隐式方程中各关键参数灵敏度的分析，重点考虑吊杆上、下端转动约束刚度的影响，对吊杆索力计算进行了工程实用简化分析，得到了两端简支吊杆索力计算实用公式，及两端固支吊杆索力分段数值拟合计算公式。将HHT识别的江南大桥全桥吊杆基频代入各简化公式计算，发现1号吊杆与两端固支边界接近，其余吊杆与两端简支边界接近。 中承式钢管混凝土拱桥吊杆出现损伤时全桥吊杆会发生索力重分配现象，必然要从全桥吊杆整体模型出发研究吊杆损伤。针对修正后的江南大桥有限元模型，建立了描述全桥吊杆索力偏差率与损伤程度间关系的吊杆损伤模型。损伤影响矩阵为带状稀疏矩阵，故引入PSO算法这一智能方法分析。编制了PSO算法程序，损伤模拟分析验证了PSO用于损伤模型计算的可靠性。 将实测吊杆加速度信号代入吊杆损伤识别流程，PSO计算表明各监测吊杆未出现明显损伤情况，HHT时频谱也显示各监测吊杆归一化频率未出现明显断点，目前吊杆工作状态良好。随着时间的推移，吊杆若出现突发灾害，通过结合HHT及PSO的吊杆损伤识别流程，完全能识别出吊杆损伤的位置、程度以及时刻。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文的研究背景与意义

1.2 本文研究领域的发展现状

1.2.1 希尔伯特-黄变换在公路桥梁损伤识别中的应用

1.2.2 中承式钢管混凝土拱桥吊杆索力计算研究现状

1.2.3 中承式钢管混凝土拱桥吊杆损伤识别研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第2章 基于HHT的吊杆加速度信号分析

2.1 HHT方法

2.1.1 经验模态分解

2.1.2 希尔伯特谱及边际谱分析

2.1.3 HHT优缺点分析

2.2 基于HHT的信号分析处理

2.2.1 模拟信号分析

2.2.2 江南大桥吊杆加速度信号分析

2.2.3 江南大桥吊杆损伤时刻模拟

2.3 本章小结

第3章 复杂边界条件下的吊杆索力计算

3.1 计算模型

3.2 复杂边界条件下的吊杆频率方程

3.2.1 梁模型的吊杆频率方程

3.2.2 瑞利法推导吊杆索力公式

3.3 频率方程参数灵敏度分析

3.4 吊杆频率方程简化分析与实例计算

3.4.1 吊杆频率方程简化分析

3.4.2 江南大桥吊杆索力计算分析

3.5 本章小结

第4章 结合HHT及PSO的吊杆损伤智能识别

4.1 建立江南大桥吊杆损伤模型

4.1.1 江南大桥有限元模型

4.1.2 江南大桥吊杆损伤模拟及损伤模型

4.2 粒子群优化算法简介

4.3 江南大桥吊杆损伤识别

4.3.1 基于PSO的江南大桥吊杆损伤识别模拟验证

4.3.2 江南大桥吊杆损伤识别流程

4.3.3 江南大桥吊杆损伤识别结果分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文