面向HMS的大跨斜拉桥结构评估实用方法研究与应用

摘要

随着桥梁结构跨度的日益增大，对于大型桥梁结构的安全性和耐久性的要求也越来越高，大跨桥梁结构的健康监测与安全评估也逐渐成为目前国内外学术界与工程界的热点研究领域，但由于大跨桥梁结构的健康监测是一个多学科交叉的课题，目前还有很多问题需要解决，桥梁结构健康监测系统的核心模块——安全评估系统就是一个急需深入的研究方向。 本文在总结和归纳了国内外大跨桥梁结构健康监测、损伤评估和状态评估领域研究成果的基础上，结合润扬长江公路大桥斜拉桥展开了结构损伤评估和状态评估方法的研究工作，讨论了面向大跨斜拉桥结构健康监测与安全评估的有限元模拟策略和方案，研究了多元统计的相关理论在桥梁结构损伤评估的应用，建立起大跨斜拉桥结构构件可靠度分析方法，对大跨桥梁结构体系可靠度评估的简化分析方法进行了研究，并将研究成果应用于润扬长江大桥斜拉桥的安全评估系统。本文的主要工作和成果如下： (1)讨论了面向大跨斜拉桥结构健康监测与安全评估的有限元模拟策略，提出了多层次、多尺度的建模与修正方案，将结构的整体简化模型、整体精细模型和局部精细模型融合为大跨桥梁结构安全性评估中各具特点，而又相互统一的多尺度模型。以润扬大桥斜拉桥为例，对其多尺度有限元模型进行了建立和修正，并利用成桥静动载试验结果，对所建立的有限元模型进了试验验证。 (2)提出了基于方差分析的大跨桥梁结构的损伤评估方法，给出了该方法的算法流程。利用该方法通过分析监测系统采集到的当前数据和原始指纹数据在给定概率水平下的差异，来评估出当前结构在给定的概率水平下是否处于健康状态。讨论了该方法应用于大跨桥梁结构中所面临的主要问题和解决方法，并将该方法应用于润扬大桥结构健康监测系统中。 (3)提出了基于距离判别分析和Bayes判别分析的结构损伤评估方法，通过原理性试验研究，验证了该方法在结构损伤评估中的适用性和可靠性。利用该方法可以根据响应数据将不同的结构状态进行判别区分，从而实现结构损伤状态的评估。讨论了基于判别分析的结构损伤评估方法应用于大跨桥梁结构损伤评估中的若干关键技术要点，给出了判别分析应用于大跨桥梁结构中的算法流程，利用润扬大桥健康监测系统的实测数据，用距离判别分析给出的样本距离值和Bayes判别分析计算出的W-K值对润扬斜拉桥进行了损伤状态评估。 (4)对响应面法和二次可靠指标法的联合算法进行了研究，并建立起润扬大桥斜拉桥构件可靠度分析的框架。将大跨斜拉桥结构这样一个具有复杂物理意义的非线性功能函数的可靠指标求解问题，转换为两阶段可靠指标计算方法，采用响应面法和二次可靠指标法的联合算法实现了斜拉桥构件的可靠度分析。 (5)对大跨斜拉桥体系可靠度的简化计算方法进行了研究，针对搜索复杂结构体系失效模式方法所存在的失效路径复杂、失效模式数量庞大等问题，提出了结构子系统的概念，将结构体系的系统分析模式由构件的串并联形式改进为由子系统的串并联形式，这样使得复杂结构的体系可靠度的计算得以实现。通过对一简单斜拉桥体系可靠度的计算分析，验证了该简化方法的准确性和实用性。最后计算出了润扬斜拉桥在给定工况下的体系失效概率和可靠度。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2桥梁结构健康监测系统研究与应用

1.2.1桥梁结构健康监测系统的概念

1.2.2国内外桥梁结构健康监测系统的应用现状

1.3大跨桥梁结构健康监测评估系统研究与应用

1.3.1桥梁评估系统概述

1.3.2损伤状估方法概述

1.3.3可靠度评估方法概述

1.4本文的主要研究内容

参考文献

第二章面向大跨斜拉桥健康监测评估系统的有限元模拟

2.1引言

2.2面向大跨斜拉桥健康监测评估系统的有限元模拟策略

2.2.1面向大跨斜拉桥健康监测评估系统的有限元模拟策略

2.2.2面向大跨斜拉桥健康监测评估系统的有限元模拟方案

2.2.3有限元模型修正

2.3润扬大桥斜拉桥有限元模型的建立与修正

2.3.1润扬大桥斜拉桥扁平钢箱梁的环境振动试验

2.3.2润扬大桥斜拉桥整体简化模型的建立与修正

2.3.3润扬大桥斜拉桥整体精细模型的建立与修正

2.3.4润扬大桥斜拉桥局部精细模型的建立

2.4润扬大桥斜拉桥有限元模型的试验验证

2.4.1润扬大桥斜拉桥静载试验

2.4.2润扬大桥斜拉桥环境振动试验

2.4.3润扬大桥斜拉桥有限元模型静力验证

2.5本章小节

参考文献

第三章基于方差分析的大跨桥梁结构评估方法研究与应用

3.1引言

3.2方差分析的基本原理

3.3.1单因子方差分析

3.3.2多因子方差分析

3.3环境激励下响应样本的描述

3.3.1随机振动概率分布的传递

3.3.2时域内样本的描述

3.3.3频域内样本的描述

3.4基于方差分析的结构评估方法

3.4.1基于方差分析的结构评估方法流程

3.4.2数值算例

3.4.3基于方差分析的结构评估方法的抗噪性分析

3.4.4基于方差分析的结构评估方法的损伤敏感性分析

3.5基于方差分析的大跨桥梁结构评估方法的研究与应用

3.5.1原始指纹数据的获取

3.5.2零假设成立的概率F0的确定

3.5.3基于方差分析的大跨桥梁结构评估方法框图

3.5.4基于方差分析的大跨桥梁结构评估方法在润扬大桥上的应用

3.6本章小结

参考文献

第四章基于判别分析的大跨桥梁结构损伤评估方法研究与应用

4.1引言

4.2距离判别在结构评估中的应用

4.2.1距离判别分析的基本原理

4.2.2判别准则的评价

4.2.3基于距离判别分析的结构评估方法研究

4.2.3基于距离判别分析的评估方法的原理性试验

4.3 Bayes判别分析在结构评估中的应用

4.3.1 Bayes判别分析的基本原理

4.3.2基于Bayes判别分析的结构评估方法

4.3.3基于Bayes判别分析的评估方法的原理性试验

4.4基于判别分析的评估方法在润扬大桥结构评估中的应用

4.4.1基于判别分析的大跨桥梁结构评估方法的研究

4.4.2基于判别分析的润扬斜拉桥结构的损伤评估

4.5本章小结

参考文献

第五章大跨桥梁结构构件可靠度评估方法的研究与应用

5.1引言

5.2结构构件的可靠度分析方法

5.2.1结构可靠度分析概述

5.2.2结构可靠度的RSM-SORM联合算法

5.2.3算例分析

5.3大跨斜拉桥的构件可靠度分析方法

5.3.1润扬大桥斜拉桥构件的可靠度分析

5.3.2润扬斜拉桥构件的概率灵敏度分析

5.4本章小结

参考文献

第六章大跨桥梁结构体系可靠度评估方法研究与应用

6.1引言

6.2结构体系的可靠度分析

6.2.1多重失效模式及其数学模型

6.2.2寻找结构体系失效模式的改进方法

6.2.3结构体系可靠度的计算方法

6.3大跨斜拉桥体系可靠度的简化计算方法研究

6.3.1结构体系可靠度的简化计算方法

6.3.2斜拉桥体系可靠度的简化计算方法

6.3.3算例分析

6.4本章小结

参考文献

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2研究展望

作者在攻读博士学位期间撰写与发表的论文

致谢