基于PS-InSAR的桥梁形变监测技术研究——温度及随机车载分析

摘要

我国现役桥梁的健康监测任务在逐渐加重。目前的监测方法以人工定期检测和桥梁健康监测系统为主，其中，人工定期检测检查过程长、需封路封桥;针对大型桥梁开发应用的健康监测和安全评估体系庞大而复杂，造价昂贵。
　　PS-InSAR技术能够实现毫米级的形变监测。基于PS-InSAR技术的桥梁形变监测，将具有集群式、全天时、全天候、可靠、经济的特点。对于占桥梁总量90％的中小型桥梁，这种优势尤其明显。但PS-InSAR技术应用到桥梁形变监测时，车流、温度等桥梁可变荷载会影响PS-InSAR的形变监测结果。
　　本论文首先在桥梁形变关键点上设置人工PS(Persistent Scatter)点，利用PS-InSAR技术得到目标桥梁在SAR影像拍摄期间的PS-InSAR形变信息。然后采集和模拟了2016年6月初至8月底的实桥温度和车流信息，建立不同天气模式下的桥梁可变荷载（温度和车流等）统计规律。基于上述统计规律，利用有限元计算目标桥梁在卫星拍摄时刻下，温度和车流所造成的桥梁形变，依此构建目标桥梁形变关键点的随机形变时空矩阵。接着，利用随机形变时空矩阵，在PS-InSAR形变信息中消除温度和随机车载造成的随机形变，得到桥梁形变关键点的永久形变。最后，基于提取的永久形变，初步构建了基于PS-InSAR技术的桥梁安全预警体系。结果表明:
　　(1)统一桥梁形变关键点与人工PS点，再结合有限元技术，就可将PS-InSAR技术与桥梁工程联系在一起。
　　(2)若缺乏目标桥梁的实测温度数据，可基于实测温度的统计规律预估目标桥梁的实际温度，进行桥梁得温度形变分析。随机车流下桥梁形变关键点的随机形变在mm量级，远小于温度荷载对桥梁形变关键点随机形变的影响（cm量级）。
　　(3) PS-InSAR结果与FEM计算的桥梁温度形变规律吻合较好。对比两者结果发现:①两侧引桥存在不均匀沉降（西北端更大）。②在墩台、塔顶处，FEM形变向上，PS-InSAR形变向下。这种差异是地质因素、水位升高、结构损伤、温度效应等因素共同作用的结果。
　　(4)基于PS-InSAR技术的安全预警表明，洞庭湖大桥整体仍处于安全状态，可正常运营。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外传统桥梁结构健康监测的研究现状

1．2．1 传统桥梁结构健康监测发展现状

1．2．2 传统桥梁结构健康监测的局限性

1．3 InSAR技术概况

1．3．1 InSAR技术

1．3．2 PS-InSAR技术

1．3．3 InSAR技术的应用现状

1．4 InSAR技术与桥梁形变监测相结合需解决的关键科学问题

1．5 本文工作

1．5．1 论文研究思路

1．5．2 论文主要研究内容

1．5．3 论文的创新点

第二章 洞庭湖大桥及其PS-InSAR监测数据

2．1 岳阳洞庭湖大桥概况

2．2 有限元模型的建立

2．3 桥梁形变关键点

2．4 PS-InSAR监测数据

2．4．1 PS点

2．4．2 SAR影像时刻

2．4．3 洞庭湖大桥PS-InSAR监测数据

2．5 本章小结

第三章 SAR影像时刻的桥梁温度形变

3．1 桥梁温度荷载

3．1．1 概述

3．1．2 温度数据的采集

3．1．3 温度按不同天气模式分类

3．2 实测温度下的桥梁温度形变

3．2．1 桥梁实测温度

3．2．2 实测温度下桥梁的温度形变规律

3．3 统计温度下桥梁的温度形变

3．3．1 不同天气模式下桥梁实测温度与大气温度的温差统计规律

3．3．2 以大气温度预测桥梁统计温度

3．3．3 统计温度下桥梁的温度形变规律

3．4 本章小结

第四章 随机车载下的桥梁随机形变

4．1 随机车载的统计规律

4．1．1 概述

4．1．2 随机车流参数按天气模式分类

4．1．3 随机车载

4．2 随机车载下的桥梁形变规律

4．3 本章小结

第五章 基于PS-InSAR的桥梁形变监测技术

5．1 桥梁随机形变时空矩阵

5．2 基于PS-InSAR的桥梁形变监测

5．2．1 随机形变差值

5．2．2 有限元计算的温度形变与PS-InSAR数据的对比

5．2．3 基于PS-InSAR的桥梁形变监测基本技术路线

5．3 基于PS-InSAR的桥梁安全预警技术简单探讨

5．3．1 永久形变的提取

5．3．2 跨中点预警评估标准

5．3．3 墩台点预警评估标准

5．3．4 基于PS-InSAR技术的桥梁安全预警评估——简单算例

5．4 本章小结

结论与展望

结论

存在的问题及展望

参考文献

致谢

附录