基于车-桥一体化监测的铁路钢桥损伤预警及可靠度评估研究

摘要

桥梁健康监测系统中损伤预警与状态评估是其中最为重要的两个方面，如何有效、准确地对桥梁监测数据进行处理、分析，并在此基础上实现损伤预警与状态评估是目前国内外所研究的热点。本文以普速和高速典型大型桥梁为工程背景，围绕损伤预警与状态评估两个研究方向，系统地开展了基于健康监测数据的桥梁结构整体损伤预警、承载力可靠性评估与疲劳可靠性评估的应用研究。本文所取得的主要研究成果如下:
　　(1)采用灵敏度分析方法研究了桥梁损伤对车-桥耦合系统的影响，结果表明:桥梁损伤对桥梁响应的影响远大于对车辆的影响，且损伤对跨中附近节点加速度响应影响最大，速度次之，位移最小。并提出了基于单测点加速度响应互相关函数的灵敏度损伤识别方法，该方法对4％以下的小损伤识别效果较好，且具有一定的抗噪性。
　　(2)建立了大桥加速度数据的时域ARMA模型，分析了该模型的稳定性及对损伤的敏感性，结果表明:环境因素对该模型的影响不大，AR系数会随着损伤的发生而出现波动。提出了基于AR系数的桥梁损伤预警指标及预警方法，并采用多样本假设检验识别了预警指标的微小变化，说明采用该预警指标和预警方法能有效地判断桥梁结构损伤的发生。
　　(3)分析了环境温度和车辆荷载对桥梁实测模态频率的影响，应用BP神经网络建立了频率与其之间的关系模型。提出了基于模态频率的桥梁结构整体损伤预警方法，该方法利用BP神经网络和多样本假设检验能识别出大胜关长江大桥频率的微小变化，说明该方法具有良好的适用性，且能较为准确的判断桥梁结构整体损伤的发生。
　　(4)建立了基于健康监测的桥梁承载力可靠度评估方法，系统地研究了一上承式和下承式钢桁梁的承载力可靠指标。分析了极限状态方程中各参数的概率分布，并根据实测数据，基于概率论建立了荷载谱，实现了对任意杆件活载作用力分布的统计，研究了温度荷载效应对承载力可靠指标的影响，结果表明:当前桥梁承载力状态满足要求，温度荷载效应对端部下弦杆承载力可靠指标影响较大，对跨中下弦杆可靠指标影响较小。最后引入Bayes概率模型更新理论，保证统计的车辆活载作用力分布能真实的反映实际情况。
　　(5)建立了基于健康监测的钢桥疲劳确定性评估方法与可靠度评估方法。根据Palmgren-Miner线性累积损伤理论与AASHTO规范中的S-N曲线分析了一上承式和下承式铆接钢桁梁重要杆件的确定性疲劳寿命与可靠度疲劳寿命，研究了车辆荷载增长及荷载效应对疲劳可靠度的影响，并根据β约界法计算了钢桥系统疲劳可靠度，结果表明:基于可靠度的疲劳寿命远小于确定性疲劳寿命;系统疲劳可靠度小于构件疲劳可靠度，但更符合实际;车辆荷载增长与等效应力变异性的增加将导致疲劳可靠度减小。总的来看，采用该方法能够合理的利用监测数据对桥梁进行疲劳评估，可为钢桥的养护维修提供科学依据。
　　(6)初步探讨了车-桥耦合系统运行安全可靠性分析方法。将车-桥系统视为由车辆子系统与桥梁子系统组成的串联系统，桥梁子系统以跨中横向加速度作为安全指标，车辆子系统以脱轨系数与轮重减载率作为安全指标。分析结果表明:平均轴重对桥梁安全运行可靠性影响较大，列车运行速度对车辆运行安全可靠性影响较大，车辆运行安全性是制约车-桥系统运行安全可靠性的主要因素。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 桥梁结构健康监测研究现状

1．2．1 国内外桥梁健康监测系统的发展

1．2．2 桥梁结构整体状态预警研究进展

1．2．3 桥梁结构状态评估研究进展

1．3 主要研究内容

参考文献

2 基于车-桥振动响应的灵敏度损伤识别

2．1 车-桥耦合模型

2．1．1 车辆模型

2．1．2 桥梁模型及车-桥耦合实现

2．2 车-桥耦合振动分析

2．3 桥梁损伤对车-桥耦合系统影响的灵敏度分析

2．3．1 车-桥系统灵敏度

2．3．2 算例分析

2．4 基于灵敏度方法的桥梁结构损伤识别

2．4．1 灵敏度方法

2．4．2 桥梁损伤对加速度互相关函数的影响

2．4．3 基于单测点加速度相关函数灵敏度的损伤识别

2．4．4 不同损伤因子对识别结果的影响

2．4．5 不同噪声水平对识别结果的影响

2．5 小结

参考文献

3 基于ARMA模型的桥梁损伤预警

3．1 时间序列分析模型

3．1．1 自回归模型(AR)

3．1．2 滑动平均模型(MA)

3．1．3 自回归滑动平均模型(ARMA)

3．1．4 时域分析模型的建立

3．1．5 时域分析模型建模算例

3．2 基于ARMA模型的大胜关大桥监测数据建模

3．2．1 南京大胜关长江大桥简介及测点布置

3．2．2 长期监测数据的ARMA建模

3．3 基于ARMA模型的桥梁结构损伤预警

3．3．1 基于ARMA模型的系统运动模型

3．3．2 不同加速度数据ARMA模型对比

3．3．3 ARMA模型的抗干扰性

3．3．4 ARMA模型AR系数的敏感特性分析

3．3．5 基于AR系数的损伤预警指标

3．3．6 基于ARMA模型的桥梁整体预警方法

3．4 小结

参考文献

4 基于模态参数的桥梁结构整体状态预警

4．1 温度对桥梁结构模态参数的影响

4．2 温度对桥梁频率影响的有限元分析

4．3 影响因素对桥梁结构频率的影响规律

4．3．1 温度对结构频率的影响

4．3．2 温度与桥梁频率的相关性模型

4．3．3 模态频率的温度影响消除

4．3．4 车辆荷载与桥梁模态相关性模型

4．4 影响因素与结构模态频率的相关关系模型

4．4．1 人工神经网络模型

4．4．2 BP神经网络的建立

4．4．3 神经网络的泛化能力

4．5 整体状态的损伤预警

4．6 小结

参考文献

5 基于健康监测的在役钢桥承载力可靠度评估

5．1 结构可靠度方法

5．2 钢桥承载力极限状态可靠度评估

5．2．1 湘潭湘江特大桥承载力可靠度分析

5．2．2 上承式钢桁梁承载力可靠度分析

5．2．3 下承式钢桁梁承载力可靠度分析

5．3．1 温度效应的概率分布

5．3．2 考虑温度效应的桥梁承载力可靠度评估

5．4 活载作用力极值更新概率模型

5．4．1 先验信息的验前与验后分布

5．4．2 正态分布参数的Bayes估计

5．4．3 车辆活载载作用力极值分布参数的Bayes估计

5．5 基于健康监测数据的可靠度评估流程

5．6 小结

参考文献

6 基于健康监测的钢桥疲劳分析

6．1 钢桥确定性疲劳评估

6．1．1 疲劳累积损伤计算模型

6．1．2 疲劳强度曲线(S-N曲线)

6．1．3 疲劳累积损伤计算方法

6．1．4 疲劳累积损伤与疲劳寿命

6．2 基于可靠度的钢桥疲劳评估

6．2．1 疲劳极限状态方程

6．2．2 疲劳极限状态方程参数

6．2．3 构件疲劳可靠度分析

6．2．4 相关因素对疲劳寿命评估的影响

6．3 桥梁系统疲劳可靠性分析

6．3．1 主要失效模式及β约界法

6．3．2 桥梁结构系统疲劳可靠性分析

6．4 基于健康监测的钢桥疲劳可靠度评估流程

6．5 小结

参考文献

7 车-桥系统运行安全可靠性分析

7．2 桥梁运行安全可靠性分析

7．3 车辆运行可靠性

7．3．1 列车运行安全极限状态方程

7．3．2 参数分布

7．3．3 列车运行安全可靠性与速度相关关系

7．3．4 列车运行安全可靠性

7．4 车-桥系统运行安全可靠性

7．5 小结

参考文献

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 研究展望

作者简历及科研成果清单

学位论文数据集