基于结构鲁棒性分析能量方法与数据挖掘技术的桥梁结构健康监测应用研究
发布时间：2020-07-10 18:58
【摘要】：结构健康监测技术在国内外大跨径控制性桥梁工程中被广泛应用,并逐渐应用于一些中小跨径桥梁,借助于先进的传感器技术和监测数据处理方法,以期实现结构的监测预警、损伤识别及性能评估。然而,桥梁结构及其主要构件在外部荷载尤其是极端荷载作用下的破坏现象依然时有发生。因此,根据结构健康监测技术进一步推广应用和桥梁结构服役性能监测评估的需要,对其监测传感器测点布置方法及监测数据处理方法进行深入系统的理论分析和应用研究是十分必要和紧迫的。目前,对于桥梁结构健康监测传感器的测点布置方法和结构服役性能监测评估的数据挖掘方法研究较少,其中用于指导监测传感器测点布置的结构鲁棒性、冗余度及易损性等分析方法尚未形成一个可普遍接受的理论体系,用于分析评估结构各项服役性能的监测数据挖掘方法也亟需进一步完善。因此,研究采用较为系统的结构鲁性相关分析方法指导监测传感器测点布置,采用针对性较强的监测数掘挖掘方法分析评估结构各项服役性能具有重要的理论意义和工程应用价值。本文在对国内外结构鲁棒性相关分析方法和结构监测数据挖掘方法进行分析总结的基础上,采用理论分析、数值模拟以及算例验证相结合的方法,对结构鲁棒性、冗余度、易损性及可靠性的相互关系及其在桥梁结构健康监测传感器测点布置中的应用进行了深入研究;通过分析现役桥梁结构监测数据特点,给出了针对性较强的监测数据挖掘方法,以分析和预测结构总体安全性、横向分布性能及材料劣化程度。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)基于应变能评价指标的结构鲁棒性、冗余度及易损性内在关系研究。论文通过对比分析现有的结构鲁棒性、冗余度及易损性评价指标表达式,提出了结构鲁棒性、冗余度及易损性分析的应变能评价指标,研究了结构鲁棒性、易损性及冗余度之间的内在关系、损伤作用下的灵敏度以及结构杆件构造、杆端约束、荷载分配因素的影响,并给出了悬臂梁和桁架梁算例示意。研究表明,结构鲁棒性、冗余度与易损性呈反比例变化,不同杆件可能因产生相同的应变能而具有相同的结构鲁棒性、冗余度与易损性,且结构鲁棒性和冗余度的灵敏度与易损性的灵敏度也呈反比例变化;可通过提高结构杆件的材料强度、截面尺寸及增加杆件约束等措施提高结构鲁棒性和冗余度,即降低结构易损性。(2)基于应变能评价指标的结构鲁棒性、冗余度与可靠性外在联系研究。论文分析了结构鲁棒性、冗余度与可靠性的区别和联系,基于结构鲁棒性和冗余度分析的应变能评价指标,推导了结构鲁棒性、冗余度与可靠度指标的关系表达式,分析了结构损伤和随机因素对三者及其灵敏度的影响,并给出了悬臂梁和桁架梁算例示意。研究表明,结构鲁棒性和冗余度多是基于主观定义的评价指标,相关分析方法有待进一步完善;结构可靠性较为完善,有着广泛的工程应用。结构鲁棒性、冗余度与可靠度指标呈抛物线变化,且其变化趋势基本一致,均可用来反映结构性能变化;结构鲁棒性和冗余度的灵敏度大于结构可靠度指标的灵敏度。(3)结构鲁棒性分析能量方法及其在桥梁结构健康监测传感器测点布置中的应用研究。论文考虑能量原理的普遍适用性,以验证并进一步简化形成了可普遍接受的结构鲁棒性分析能量方法,并据此分析了简支梁桥在不同损伤影响下的结构鲁棒性,以确定其易损薄弱部位,进而布置监测传感器实施长期监测。研究表明,结构的能量场与应变能数值相等且反比例变化,其中前者较为形象且相应能量势计算较为复杂,后者则应用较为广泛;简支梁结构鲁棒性较小的单元基本位于跨中截面及其附近区域,而结构鲁棒性最小和最大损伤部位则分散在各个不同单元,无显著规律。最后,还以某现役高速公路简支梁桥和城市公路桁梁拱桥结构健康监测系统为例,对其监测传感器测点布置的合理性进行验证,并完成了某新建大跨径斜拉桥结构健康监测传感器测点布置的初步设计。(4)基于监测数据挖掘的桥梁结构服役性能分析与预测研究。论文以桥梁健康监测涉及的动力问题和结构服役性能为着眼点,指出基于监测数据挖掘的桥梁服役性能分析和预测本质上属于动力学逆问题,分析了桥梁结构监测数据的周期性等特点,可据此采用时间序列等针对性较强的数据分析和挖掘方法,实现现役桥梁结构的总体安全性、横向分布性能及材料劣化程度的分析与预测,并给出了某高速公路简支梁桥和城市公路桁梁拱桥应用示例。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U446
【图文】：
一些不利因素也逐渐暴露出来，使其难以得到更广泛的推广应用，如传感逡逑器数量众多、大量监测数据难以有效处理＾１５］，以及由此带来的工程造价高昂、逡逑后＾上隹主户子等。苎一ｍ成＿示＿意见图１＿２。逡逑ｒ逦Ｉ邋ｉ￣逦１逡逑Ｉ位移ｆｔ感剧、２…＋－＊■■—＋１位移采集单兄—１逡逑１１应变＃感器１、２…４－｜应变采集申元；邋２邋Ｉ邋「逦ｍ逡逑Ｉ邋逦逦邋Ｉ邋ｉ邋逦逦邋￣邋－邋ｉ逦Ｉ邋ｉ邋ｒ－＞用户控制界面逡逑Ｉ邋ｊ加速度传感器１、２…ｔ－ｌ加速度采集中元［ 逦计■：逦■或丨邋丨邋逦｜逡逑Ｉ邋逦逦逦逦邋ｉ邋１邋逦邋—＊邋Ｗ邋邋逦－？邋＋邋－！逦Ｌ逡逑１１温设传感器１、２…；？逦１邋温度采巢单NB邋一逦机．逦：心Ｉ邋丨邋逦！逡逑Ｉ邋逦－ｉ邋ｊ逦邋￣￣逦＊邋Ｉ丨ｕ性能评定弓预努逡逑１１风速传感Ｓｌ、２…Ｉ逦＞逦ｊ邋风速采集单元一逦！逦ｉ邋Ｓ丨丨邋逦Ｊ逡逑Ｉ逦．逦！邋ｉ逦ｉ邋□邋ｉ逡逑；逦；，ｉ逦；逦！逡逑：Ｊ逡逑ｌ邋—逦逦邋ｊ逦逦邋ｊ邋ｔ邋逦逦逦逦逦逦逦邋逦逦逦邋ｉ逡逑Ｕ邋Ｕ逡逑}保椋簦低常危濉錾合低常危鼧^ｆ邋ｇｙ理｜逦｜可视~朿雷麇义贤迹保睬帕海樱龋拖低匙槌墒疽忮义希疲椋珏澹保插澹茫铮恚穑铮睿澹睿簦箦澹洌椋幔纾颍幔礤澹铮驽澹簦瑁邋澹猓颍椋洌纾邋澹樱龋湾澹螅螅簦澹礤义嫌氪送保嗣且苍诓捎媒峁孤嘲粜院鸵姿鹦韵喙胤治龇椒ㄖ傅记帕海樱龋痛义细衅鞑獾悴贾茫赐ü峁孤嘲粜院鸵姿鹦韵喙胤治稣业浇峁箍沽Ρ冉媳∪醯牟垮义衔换虿考
本文编号：2749327
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U446
【图文】：
一些不利因素也逐渐暴露出来，使其难以得到更广泛的推广应用，如传感逡逑器数量众多、大量监测数据难以有效处理＾１５］，以及由此带来的工程造价高昂、逡逑后＾上隹主户子等。苎一ｍ成＿示＿意见图１＿２。逡逑ｒ逦Ｉ邋ｉ￣逦１逡逑Ｉ位移ｆｔ感剧、２…＋－＊■■—＋１位移采集单兄—１逡逑１１应变＃感器１、２…４－｜应变采集申元；邋２邋Ｉ邋「逦ｍ逡逑Ｉ邋逦逦邋Ｉ邋ｉ邋逦逦邋￣邋－邋ｉ逦Ｉ邋ｉ邋ｒ－＞用户控制界面逡逑Ｉ邋ｊ加速度传感器１、２…ｔ－ｌ加速度采集中元［ 逦计■：逦■或丨邋丨邋逦｜逡逑Ｉ邋逦逦逦逦邋ｉ邋１邋逦邋—＊邋Ｗ邋邋逦－？邋＋邋－！逦Ｌ逡逑１１温设传感器１、２…；？逦１邋温度采巢单NB邋一逦机．逦：心Ｉ邋丨邋逦！逡逑Ｉ邋逦－ｉ邋ｊ逦邋￣￣逦＊邋Ｉ丨ｕ性能评定弓预努逡逑１１风速传感Ｓｌ、２…Ｉ逦＞逦ｊ邋风速采集单元一逦！逦ｉ邋Ｓ丨丨邋逦Ｊ逡逑Ｉ逦．逦！邋ｉ逦ｉ邋□邋ｉ逡逑；逦；，ｉ逦；逦！逡逑：Ｊ逡逑ｌ邋—逦逦邋ｊ逦逦邋ｊ邋ｔ邋逦逦逦逦逦逦逦邋逦逦逦邋ｉ逡逑Ｕ邋Ｕ逡逑}保椋簦低常危濉錾合低常危鼧^ｆ邋ｇｙ理｜逦｜可视~朿雷麇义贤迹保睬帕海樱龋拖低匙槌墒疽忮义希疲椋珏澹保插澹茫铮恚穑铮睿澹睿簦箦澹洌椋幔纾颍幔礤澹铮驽澹簦瑁邋澹猓颍椋洌纾邋澹樱龋湾澹螅螅簦澹礤义嫌氪送保嗣且苍诓捎媒峁孤嘲粜院鸵姿鹦韵喙胤治龇椒ㄖ傅记帕海樱龋痛义细衅鞑獾悴贾茫赐ü峁孤嘲粜院鸵姿鹦韵喙胤治稣业浇峁箍沽Ρ冉媳∪醯牟垮义衔换虿考
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