大型斜拉桥基于健康监测的模型修正、损伤诊断与预警方法

发布时间：2016-09-19 18:32

  本文关键词：基于时频分析的运营桥梁模态参数识别方法，由笔耕文化传播整理发布。

《哈尔滨工业大学》 2009年

大型斜拉桥基于健康监测的模型修正、损伤诊断与预警方法

侯立群  

【摘要】：本文针对大型桥梁结构健康监测中所涉及到的几项关键科学与技术问题进行了系统研究,包括:振动监测系统的设计与实现、模态参数识别与频率的温度影响分析、有限元建模与模型修正、损伤识别与诊断以及极端事故预警。主要研究内容如下: 首先,总结了桥梁振动监测系统设计和实现过程中的实践经验,并针对具体技术问题给出了解决方案和指导性建议。 其次,提出了综合利用多个短时无车时段中的稳态数据进行模态参数识别的时频分析方法,该方法利用小波分析进行频带提取,并直接在时域中识别模态参数。它在一定程度上解决了自由交通荷载下的桥梁模态参数识别问题。不过利用这一方法识别出的斜拉桥模态参数仍包含温度影响成分,因此本文结合实测数据并利用有限元模型,研究了温度对滨州斜拉桥实测频率的影响规律和内在影响机理,并以此为依据给出了动态匹配建模法,该方法能去除温度与频率的线性相关成分。 第三,考虑到建立基准有限元模型是斜拉桥结构动力分析、损伤识别、安全评定及预警的不可或缺的前提和基础,本文模拟了滨州斜拉桥的悬臂施工和调索过程对其进行有限元参数化建模,并基于实测索力和频率修正了模型的质量参数和刚度参数。在此过程中给出了模型索力调节算法和提高模型修正计算效率的实用方法。 第四,本文以修正后的有限元模型为基础,考虑到噪声干扰的随机性和损伤特征的稳定性,提出了斜拉桥桥面损伤定位的三点直线拟合曲率法,该方法具有一定的抗噪声能力,其基本思想如下:利用结构损伤前后多次识别得出的模态振型求得多条曲率差曲线,将这些曲率差曲线中稳定为正的位置认定为损伤位置,将时正时负的位置认定为无损伤位置。对上述思想进行拓展,本文进一步提出了基于症状匹配的斜拉桥损伤经验诊断系统框架。这个框架以损伤症状数据库为基础,以症状匹配机制为核心。在此框架的指导下,本文利用有限元分析建立了滨州斜拉桥的损伤症状数据库,给出了症状匹配的通用算法框架,并在此基础上给出了斜拉索损伤诊断的具体算法。由于该诊断系统并非基于严密的逻辑推理,而是基于部分信息的经验判断,因此其对测试精度不足和测试信息不完备具有一定的鲁棒性。 最后,本文研究了滨州斜拉桥极端事故的预警方法。斜拉桥在极端事故发生之前通常会先进入亚临界状态,因此识别亚临界状态是极端事故预警的关键。本文基于修正后的滨州斜拉桥有限元模型,详细分析了滨州斜拉桥处于五类主要的亚临界状态时,其可监测到的力学指标的变化特征,并给出了基于力学指标的变化对滨州斜拉桥亚临界状态进行综合预警的方法。

【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U446.2
【目录】：

摘要4-6

Abstract6-19

第1章 绪论19-38

1.1 课题背景19-21

1.2 桥梁健康监测的意义21-22

1.3 桥梁健康监测的研究与应用现状22-36

1.3.1 桥梁健康监测系统概述22-24

1.3.2 桥梁模态参数识别24-27

1.3.3 桥梁有限元建模及模型修正27-29

1.3.4 温度对桥梁自振频率的影响29

1.3.5 桥梁损伤识别29-36

1.4 本文的主要研究内容36-38

第2章 大型桥梁振动监测系统设计与实现38-48

2.1 引言38

2.2 大型桥梁健康监测系统概述38-39

2.3 大型桥梁振动监测系统的总体设计39-40

2.3.1 振动监测系统的功能及监测目标39-40

2.3.2 系统组成40

2.4 加速度传感器子系统40-42

2.4.1 加速度传感器的选型原则40

2.4.2 加速度传感器的现场质量检测和标定40-41

2.4.3 加速度传感器的数量确定及测点布置41

2.4.4 加速度传感器的安装方案41-42

2.5 数据采集子系统42-43

2.6 数据在线分析子系统43-45

2.6.1 数字滤波及重采样43-44

2.6.2 频谱分析44-45

2.6.3 频率识别45

2.7 数据存储与管理子系统45-47

2.7.1 数据长期保存45-47

2.7.2 数据管理47

2.8 本章小结47-48

第3章 基于时频分析的运营桥梁模态参数识别方法48-68

3.1 引言48

3.2 基于白噪声激励的模态参数识别方法48-58

3.2.1 NExT 法48-50

3.2.2 ERA 法50-53

3.2.3 具体实现过程53-54

3.2.4 识别虚假模态的方法54

3.2.5 滨州黄河公路大桥模态参数识别仿真分析54-57

3.2.6 基于白噪声激励的模态参数识别方法的局限性57-58

3.3 基于小波分析的模态参数识别方法58-67

3.3.1 运营桥梁振动监测数据的时频分析58-59

3.3.2 基于小波分析的频带提取方法59-61

3.3.3 单模态频带范围的确定61-62

3.3.4 单模态频带的提取62

3.3.5 单模态稳态可靠数据的选取62-63

3.3.6 单模态数据的频率识别方法63-64

3.3.7 单模态数据的振型识别方法64

3.3.8 模态识别结果的综合后处理方法64-66

3.3.9 滨州斜拉桥模态识别的结果评价66-67

3.4 本章小结67-68

第4章 斜拉桥模态参数的温度影响分析68-82

4.1 引言68

4.2 斜拉桥实测频率与环境温度的关系68-75

4.2.1 一天内的温度变化对斜拉桥频率的影响68-69

4.2.2 季节温度变化对斜拉桥频率的影响69-75

4.3 斜拉桥自振频率的温度影响机理75-79

4.3.1 温度—弹性模量—频率75-76

4.3.2 温度—桥型和内力—频率76-78

4.3.3 基于有限元分析的温度影响机理78-79

4.4 去除温度与频率的线性相关成分79-80

4.5 本章小结80-82

第5章 斜拉桥参数化建模与模型修正82-98

5.1 引言82-83

5.2 滨州黄河公路大桥初始有限元建模83-85

5.2.1 滨州黄河公路大桥简介83

5.2.2 单元选择和关键部件的建模方法83-84

5.2.3 考虑施工顺序的建模方法84-85

5.3 初始平衡构型的确定85-92

5.3.1 斜拉桥以理想平衡构型为目标的调索方法86-90

5.3.2 基于实测索力的桥面系质量参数的修正90

5.3.3 斜拉桥模型的初始平衡构型的确定90-92

5.4 基于实测频率的模型刚度参数的修正方法92-97

5.4.1 原始频率函数的逼近函数92-94

5.4.2 考虑初始内力状态的模态分析94

5.4.3 基于遗传算法的参数优化算法94-95

5.4.4 模型参数的修正过程95-97

5.5 本章小结97-98

第6章 噪声干扰下斜拉桥损伤定位的三点直线拟合曲率法98-111

6.1 引言98

6.2 噪声干扰与结构损伤在信号特征上的差异98-99

6.3 斜拉桥损伤定位的三点直线拟合曲率法99-101

6.3.1 噪声随机性和结构损伤特征的稳定性99

6.3.2 结构振型的三点直线拟合曲率的求解方法99-100

6.3.3 结构损伤定位的三点直线拟合曲率法100-101

6.4 斜拉桥损伤定位三点直线拟合曲率法的算法流程101-102

6.4.1 基本说明101

6.4.2 总体算法101

6.4.3 算法1101-102

6.4.4 算法2102

6.5 滨州斜拉桥损伤定位的仿真分析102-109

6.5.1 基本说明102-103

6.5.2 损伤1 的识别103-104

6.5.3 损伤2 的识别104-105

6.5.4 损伤3 的识别105

6.5.5 损伤4 的识别105-106

6.5.6 损伤5 的识别106-108

6.5.7 多损伤的识别108-109

6.6 应用中需注意的几个问题109-110

6.7 本章小结110-111

第7章 基于症状匹配的斜拉桥损伤经验诊断系统111-126

7.1 引言111-112

7.2 基于症状匹配的斜拉桥损伤经验诊断方法112-115

7.2.1 确定性的判断和经验性的判断112

7.2.2 斜拉桥的力学症状112-113

7.2.3 结构症状学与结构诊断学113

7.2.4 损伤症状数据库113

7.2.5 症状匹配113-114

7.2.6 及格原则与满分原则114

7.2.7 权威原则114

7.2.8 损伤诊断策略114-115

7.3 滨州斜拉桥损伤症状数据库的建立115-119

7.3.1 损伤症状数据库的整体框架115-116

7.3.2 斜拉索损伤症状数据库116-117

7.3.3 桥面系损伤症状数据库117-119

7.4 症状匹配与综合诊断119-122

7.4.1 症状匹配的算法框架120-121

7.4.2 综合诊断算法框架121-122

7.5 斜拉索损伤经验诊断算法122-125

7.5.1 算法描述122-124

7.5.2 算法分析124-125

7.6 本章小结125-126

第8章 斜拉桥亚临界状态的识别与极端事故预警126-148

8.1 引言126

8.2 斜拉桥的亚临界状态126-128

8.2.1 斜拉桥亚临界状态的定义126

8.2.2 斜拉桥亚临界状态的分类126-128

8.3 斜拉桥亚临界状态的分析方法128-131

8.3.1 有限元模型的应用128-129

8.3.2 监测数据的分析方法129-131

8.4 滨州斜拉桥第一类亚临界状态的识别及预警131-134

8.4.1 索力不平衡时的桥塔状态分析131-132

8.4.2 重车偏载时的桥塔状态分析132

8.4.3 强风作用时的桥塔状态分析132-134

8.4.4 综合预警134

8.5 滨州斜拉桥第二类亚临界状态的识别及预警134-140

8.5.1 索力分析134-135

8.5.2 桥面系频率分析135-137

8.5.3 主梁应变分析137-139

8.5.4 特征点位移分析139-140

8.5.5 综合预警140

8.6 滨州斜拉桥第三类亚临界状态的识别及预警140-143

8.6.1 桥面系频率分析140-141

8.6.2 主梁应变分析141-142

8.6.3 主梁位移分析142

8.6.4 综合预警142-143

8.7 滨州斜拉桥第四类亚临界状态的识别及预警143-145

8.7.1 主梁应变分析143-144

8.7.2 综合预警144-145

8.8 滨州斜拉桥第五类亚临界状态的识别及预警145-147

8.8.1 桥塔基础沉降145-146

8.8.2 边塔竖向支撑失效146

8.8.3 综合预警146-147

8.9 本章小结147-148

结论148-150

参考文献150-163

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果163-165

致谢165-167

个人简历167

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本文编号：118355