常用跨度铁路桥梁状态预警理论研究

第一章绪论

1.1桥梁安全评估的研究目的和意义
在经济日益发达的今天，随着交通量的逐渐增加，桥梁在我们日常生活中的作用越来越大。最早定义桥梁作用是跨越障碍的结构，但在今天，桥梁结构往往位于交通的咽喉要道，在国民经济中起到举足轻重的地位。同样，桥梁在铁路建设当中也起到了不可替代的作用。桥梁是铁路线路修建中的薄弱和复杂环节，对整条线路运行的性能影响甚大。桥梁工程除了一般的跨越河流沟壑、与既有交通设施立体交叉的功能外，又可以实现减少铁路用地数量、保证线路“零沉降”要求、提高线路运营质量的目的，因此，对铁路桥梁的安全性提出了很高的要求。
由于铁路桥梁大多在野外，环境比较恶劣，更容易受到环境的侵烛，并且铁路桥梁承受的荷载相对较大，在长期运营期间，铁路桥梁的安全性和使用性会降低，桥梁结构的微小沉降或变形都将造成列车的颠簸，带来极大的安全隐患，铁路桥梁事故经常发生在我们身边。
1940年美国塔可马大桥，仅仅工作了三个月，就在19 m/s的风速下倒塌。
1962年，美国Kings桥因为疲劳而倒塌。
1967年12月，美国的Sliver大桥垮塌，造成了46人死亡的悲剧。
1994年韩国汉城的圣水大桥跨中断塌50 m,有15 m桥掉入江中，造成了32人死亡、重伤17人的重大事故。根据报道，造成桥梁段塌的原因为桥梁长期超荷载运营，钢梁螺栓杆件疲劳破坏导致的。
1999年1月4日晚6时50分前后，重庆市的人行彩虹桥突然跨塌，造成四十多人死亡，直接经济损失数百万元。
2001年，宜宾南门搭桥发生悬索和桥面某些部位断裂事故，造成两死两伤。
2007年美国明尼苏达州横跨Mississippi桥突然倒塌，该桥使用了 40 a。
鉴于铁路桥梁的重要性及事故的不断发生，给人们敲响了警钟，桥梁安全监测系统越来越多的应用到铁路桥梁结构中，对于保证桥梁运营期间的结构安全，查明结构异常原因，起到非常重要的作用。
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1.2现有桥梁安全评估方法分析
经过近三十年的研究，桥梁状态预警与评估取得了很大的进展，国内外也先后颁布了基于极限状态原理和设计规范的桥梁评估标准或规范[3]。但是如何准确评估损伤结构的剩余承载力、安全可靠性和需要维修加固部位，就成为保障桥梁安全运营唾待解决的重大难题。
评估桥梁的健康状况涉及面很广，影响因素众多。桥梁评估可分为三类：第一类是承载能力评定，第二类是技术状况评估，第三类是性能实时评价，这三类评估之间既有联系又有区别[4]。第一类承载能力评定一般是由专门的检测机构对一座具体桥梁进行检测，然后通过分析计算从而确定结构的承载力或是耐久性能等，这种方法需要专门的仪器设备，并且是不定期检查，有时候一座桥梁终身的检查次数可能不超过两次。第二类的技术状况评估一般是由桥梁养护管理部门针对多座桥梁定期进行病害检查，然后通过专家系统对每座桥梁的损伤状况做出评价，它主要以目测为主辅以必要的工具，此类方法无法对承载能力做出准确评定，并且人为因素影响较大。第三类的性能实时评价一般是根据健康监测系统的监测数据或实时监测数据，通过一定分析方法对桥梁使用性能做出评价，可以实时掌握桥梁的工作性能。
1.2.1桥梁承载能力评定
桥梁承载能力评定分为静力法和动力法[5]。静力法是以设计过程、工程经验判断和现行设计规范相结合为基础，结合实桥的无损检测和静载试验的结果进行评定；中国、美国、德国等国均釆用这种方法，评定结果较为可靠并且易于接受。动力法则是基于结构的动态和静态特性均为结构工作性能的表征，静态特性仅仅是动态特性的特例；但因动力法的经验尚不成熟，因此各种规范尚未列入。
承载能力可靠度研究主要研究了混凝土碳化以及钢筋锈蚀等因素，这些因素导致结构抗力不断衰减。因此，结构的抗力是随时间变化而变化的参数，而导致结构抗力衰减的主要原因是钢筋的绣蚀。
1.2.2技术状况评估
评定技术状况一般釆用以下两种方法：简单的评分，也就是依据评定状况的标准和所选择的病害类型等，对结构的某一部位或是整体结构进行简单的评分；依据结构在日常检查中所暴露出来的一些病害类型，挑选出其中一些必要类型的病害进行分析评价，对结构构件、构件组和整体结构依次进行定性的评估分级。
桥梁结构的功能不足、损伤等都可以用技术状况来表示，并且用技术状况等级来描述。技术状况等级的确定对于桥梁的养护维修和更换的实施决策是非常重要的，桥梁的养护维修工作人员可以根据桥梁技术状况等级来确定结构是否现在维修或是将来的一个时间段内需要维修。
桥梁的剩余承载能力通常利用技术状况等级指标来测定。桥梁构件经常被桥梁管理者用与退化有关的离散技术状况来描述，技术状况等级水平最低的结构要首先进行养护处理。
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第二章动态响应监测信号预处理

本文主要任务是实现单体铁路桥梁实时状态安全预警，由于加速度信号在规范中没有相应的安全限值，因此需要将其转换成规范中现有的振幅信号和频域信号，以便特征参数提取和安全限值制定。同时，由于传感器获取的信号时常伴有各种噪声，影响信号特征参数提取，因此需要对信号进行预处理，提高检测信号信噪比。

2. 1常见的信号预处理方法
在时域内对信号进行滤波、放大、统计特征计算、相关性分析等处理，都统称为信号的时域分析，通过时域分析方法，可以有效的提高信噪比，求取信号波形在不同时刻的相似性和关联性。
常见的信号预处理方法主要包括[13]
(1)信号不同种类转换。根据实际需要把信号转换为便于应用的信号形式。电阻信号、电容信号、电压信号等都是比较常见的传感器输出信号的形式。在对信号进行分析处理时，常常将不同形式的信号根据实际情况进行转换，例如本文采集到的信号为电压信号，需要将其转换成加速度信号才能继续以后的研究。
(2)信号放大。为了增强相对较弱信号的幅度或强度就要对信号进行合理放大。它的目的是为了让信号在经过传输特别是经过远距离传输后，有足够的信号强度。
(3)信号滤波。根据实际结构分析需要，保留对研究有用的信号，剔除对研究无用的信号频段和噪声影响，从而提高信噪比。高通滤波、低通滤波或带通滤波等都是日常比较常用的信号滤波方法。
(4)去除均值。根据对信号均值的估计值，消除信号中所含均值成分的过程。例如，在信号的标准差等统计量时，需要去除信号的均值。
(5)去除趋势项。消除信号中的缓慢变化成分，使信号满足一定的要求，便于后续处理，常用的趋势项消除方法有滤波法、多项式拟合法等。

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2.2滤波器的设计简述
数字滤波器是数字信号处理中的一个很重要的技术分项，它可以在各种信号中提取实际所需要的信号，同时还能剔除无用的信号，如干扰或是噪声。数字滤波器有很大的优越性，例如它稳定性好、精度高、灵活性强、体积小等，越来越多的受到人们的重视，并且在工程实际中得到了广泛的应用。
数字滤波器的实质是：为了实现对信号滤波处理的效果，从而利用一种有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统。其输入的是一组由模拟信号经过处理的数字信息，输出是经过处理的另一组数字量。它既可以是一台由数字硬件装配成的用于完成滤波功能的专用机，也可以是由通用计算机完成的一组运算程序。
设计数字滤波器的过程一般可以分为以下几个步骤：
(1)根据结构的要求确定所选滤波器的性能指标。
(2)求出数字滤波器的系统函数或是单位冲击响应。
(3)用有限精度的运算实现所设计的系统函数，包括选择运算结构、选择合适的字长以及有效的数字处理方法。根据设计出来的系统函数，就可以选择相应的实现方法。
(4)验证所设计的系统是否满足给定的性能指标，不满足时对第(2)(3)步进行修改。
一般的，体现滤波器的性能要求往往依据频率响应的幅度特性误差允许范围。数字滤波器可以分为无限冲击响应(IIR)和有限冲击响应(FIR)[13]。常用的IIR滤波器有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆滤波器等。
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第三章基于数据的时域实时预警参量制定............................21
3.1基于监测数据估计车速...................................21
3.1.1车速估计基本思路..................................21
3.1.2自相关函数分析..........................................22
3.2时域特征值的提取与分析.....................................24
3.2.1观察速度对信号振幅的影响...............................24
3.2.2速度对无量纲参数的影响分析.................................26
3.3最大振幅随时间变化情况...........................................30
3.4速度影响的归一化处理......................................31
3.5归一化参数的统计分布..........................................33
3.6实时预警参数安全限值的制定.................................34
3.6.1桥检规安全限值分析......................................34
3.6.2安全预警限值制定原则.....................................35
3.6.3预警参数限值制定.......................................36
3.7归一化预警参数超限原因分析与解决方法............................36
3.8本章小结......................................37

第四章基子数据的频域实时预警参量制定

第三章中构造的Amax可以实现对32 m铁路桥梁状态实时安全预警目的，然而列车速度估计和归一化过程相对复杂，并且该参数受列车载重等因素的影响。基于此本章节重新构造一种在不同运行条件下便于分析研究并反映桥梁自身特性的参量。
工程上所测的信号一般为时域信号，只能在波形上比较它们的特征，但故障的发生、发展往往引起信号频率结构的变化，为了更好的了解信号的动态信息，需要进行频域分析[32]。信号分解为傅里叶级数后，得到的是直流分量和无穷多正弦分量的和，从而可在频域内比较信号，很容易看出信号的某些特性。因此本章节在频域上展开对信号的研究分析。
图4-1为本章节研究的主要思路。

4. 1信号频域分析内容
频域常见的分析方法为幅值谱分析和功率谱估计两类，具体分析方法如下介绍。
4.1.1幅值谱分析
幅值谱表示对应于各频率的谐波振动分量所具有的振幅，应用时比较直观。幅值谱上谱线高度就是该频率分量的振幅大小。信号幅值谱分析的理论基础是离散信号的傅里叶变换(DFT)。对有限长度离散时间序列的傅里叶变换成为离散傅里叶变换。由于加速度传感器测得的桥梁振动加速度信号为离散信号，所以本文需用离散傅立叶变换进行分析。但由于离散傅立叶变换计算量太大，计算成本过高，缺乏实用性，特别是在实现频谱的实时分析方面，无法应用于实际[33]。由于快速傅立叶变换减少了对离散傅立叶变换所需要的运算次数，可以提高使用效率，因此本文选取快速傅立叶变换。
4.1.2功率谱估计

本文编号：8391