大跨径钢桁架桥健康监测方法及技术研究

摘要

大跨径桥梁的安全运营对国家经济发展起重要作用，如何保障大跨径桥梁运营安全已成为当前乃至今后一段时期内桥梁界研究的重点方向。在桥梁结构关键部位装设传感器，让桥梁成为智能桥梁是保障桥梁结构安全最为直接、最为便捷的主动保障方式之一。国内外许多大跨径桥梁都安装了结构健康监测系统，但由于桥梁结构和测试环境限制，导致桥梁结构健康监测系统研究目前还处于理论研究和试验研究阶段，尤其是传感器优化布置、海量监测数据的分析方法、基于监测数据的结构损伤识别方法（结构安全评估方法）尚未成熟，研究处于基础性探索阶段，距离工程应用目标尚有较大差距。
　　本文在对部分国内外桥梁结构健康监测系统进行调研和总结的基础上，重点对结构健康监测系统的传感器优化布置方法、结构损伤识别等关键方法和技术及桥梁群结构健康监测平台实现进行研究;采用数值计算和模型试验相对比的手段对传感器优化布置方法、参数识别、损伤识别方法进行验证，最后建立了基于Web-GIS架构的桥梁群结构健康监测平台，探索并实现了桥梁群集约化结构健康监测新模式，具体研究内容有:
　　(1)建立基于试验模型的结构健康监测系统相关关键技术的试验平台。根据薄壁结构相似理论设计大型钢桁架桥的畸变相似模型，通过模型试验和数值模拟验证了相似模型静动力特性的正确性。
　　(2)研究基于有效独立算法的传感器布置优化方法，根据优化目标结构的三维特性对算法进行了扩展，编制了相关传感器优化布置的程序，提供结构健康监测系统动力测试传感器布置方案。
　　(3)对结构损伤常用的动力参数、结构响应信号分析等算法进行了较系统的理论阐述，并采用数值模拟对多类结构损伤识别方法进行了比较研究。
　　(4)采用多种基于模态参数的损伤识别方法，通过九江长江大桥数值及模型试验对结构有无损伤、构件损伤位置、桥梁在运营过程中出现重载车辆对结构特性的影响等问题进行了研究;采用小波包信号分析方法，对结构单根杆件的质量、刚度变化进行实时信号分析，并通过有限元计算及模型试验进行了小波包监测在线分析方法的对比验证;同时考察了人工噪声对损伤识别效果的影响，及其测试数据不完备因素的影响。
　　(5)基于Web-GIS架构设计桥梁群健康监测系统平台，并将平台应用于江西省省级区域桥梁群健康监测。建立九江长江大桥健康监测系统，集成硬件系统，通过软件实现健康监测系统的数据采集、传输、处理、实时监测和结构评估功能，并将其集成到桥梁群健康监测系统软件平台。
　　(6)对桥梁监测系统所监测的风速、结构应变、挠度及加速度等多类结构荷载及响应数据进行了分析处理，并实现对结构状态的评估和实时安全预警;选择了某些健康监测系统的监测数据，采用现场测试手段对监测数据的正确性和系统的可靠性进行验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 桥梁结构健康监测概述

1．3 桥梁结构健康监测的发展及关键问题

1．3．1 监测系统及软件架构

1．3．2 传感器优化布置

1．3．3 监测信号处理与模态参数识别

1．3．4 结构损伤识别方法

1．4 本文研究背景及主要内容

第2章 面向健康监测的大跨钢桁架桥模型设计

2．1 九江长江大桥概况

2．2 实桥有限元分析

2．2．1 计算说明

2．2．2 计算结果

2．3 试验模型设计

2．3．1 相似分析

2．3．2 模型设计

2．3．3 模型有限元分析

2．4 模型试验

2．4．1 试验载荷

2．4．2 模型试验方案及设备

2．4．3 静力测试

2．4．4 动力测试

2．5 结论

第3章 传感器优化布置方法研究

3．1 优化布置基本理论

3．1．1 优化布置准则

3．1．2 优化布置方法

3．2 基于有效独立法的传感器优化布置

3．2．1 改进的有效独立法及程序编制

3．2．2 算例验证

3．3 传感器优化布置程序编制与应用

3．3．1 程序编制说明

3．3．2 优化方法应用

3．3．3 试验验证

3．4 结论

第4章 结构损伤识别技术研究

4．1 基于结构参数的损伤识别理论

4．1．1 工程结构损伤检测方法

4．1．2 基于模态参数的损伤识别方法

4．1．3 附加质量对结构模态频率的影响

4．2 基于小波理论的损伤预警理论

4．2．1 小波分析定义

4．2．2 小波包分析定义

4．2．3 基于小波包能量谱的识别方法

4．3 基于模态参数的损伤识别数值验证

4．3．1 数值模型模态参数特性分析

4．3．2 损伤识别算法实现及数值验证

4．3．3 附加质量对结构模态频率的影响

4．3．4 小结

4．4 基于小波包信号分析的损伤预警数值验证

4．4．1 响应信号特性分析

4．4．2 基于小包波分解的信号及能量谱结构损伤分析

4．4．3 基于结构动态响应的在线识别方法

4．4．4 小结

4．5 损伤识别理论试验验证

4．5．1 基于模态参数类损伤识别方法试验验证

4．5．2 基于信号分析类损伤识别方法试验验证

4．6 结论

第5章 基于Web-GIS架构的桥梁群健康监测系统实现与应用

5．1 项目背景

5．2 软件系统总体设计

5．2．1 桥梁健康系统设计原则

5．2．2 桥梁健康监测系统构成

5．3 数据采集与传输软件系统

5．3．1 系统划分方式

5．3．2 系统开发语言和运行环境

5．3．3 采集软件系统平台

5．4 桥梁远程监测与预警系统

5．4．1 系统功能划分

5．4．2 实时监测与预警

5．5 数据分析方法

5．5．1 数字滤波

5．5．2 去除趋势项

5．5．3 数据重采样及统计分析

5．5．4 模态参数识别算法

5．6 实时监测数据分析

5．6．1 风速风向

5．6．2 环境温度

5．6．3 结构应变

5．6．4 结构挠度

5．6．5 加速度及动力特性

5．7 数据对比测试及验证

5．7．1 加速度数据对比分析

5．7．2 挠度数据对比分析

5．8 结论

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

发表论文及参加的项目

附录 测点布置图