基于静态测量数据的桥梁结构损伤识别研究

陈孝珍. 基于静态测量数据的桥梁结构损伤识别研究[D].华中科技大学,2005.2100433B

随着现代科学技术的迅速发展,高耸建筑、大跨度桥梁结构不断涌现,同时大量基础设施随着使用时间的增长,许多土木工程结构进入了老化阶段。为确保人民生命财产安全,需要快速有效地识别出工程结构可能发生损伤的部位和损伤大小,及时掌握结构运营下的健康状况。近年来结构安全性检测与健康监测的研究与应用已成为土木工程研究的前沿性课题之一,由于静态测量数据测量精度高,且容易获得,因此研究基于静态测量数据的结构安全性评估具有重要的理论与应用价值。本文在国家自然科学基金(No.50378041)和教育部博士点基金(No. 20030487016)的资助下研究了基于静态测量信息的结构损伤检测方法及其在复杂结构中的应用。在系统总结了近年来结构损伤识别的基本方法和一些研究思路的基础上,利用灰色系统理论,对基于不完备的自由度测量信息条件下的结构损伤定位方法进行了进一步的深入研究,提出了基于静态测量位移的结构损伤定位方法。由于损伤大小的识别最终可归结为参数识别的最优化问题,因此,可利用遗传算法对测量信息不多的情况下的损伤进行迅速而又准确的识别。本文在分析传统遗传算法在损伤识别的应用研究的基础上,将模糊理论与遗传算法相结合,对传统的遗传算法进行了改进,发展了基于改进遗传算法的结构损伤识别方法。

桥梁结构系统本身及模拟的很多不确定性、监测系统测量误差和噪声干扰等复杂因素，给桥梁结构的早期损伤识别带来很大的困难，使之成为桥梁健康监测和安全评估的瓶颈。基于模型确认的桥梁结构概率损伤识别方法研究课题，紧密结合桥梁健康监测，研究能够反映桥梁结构损伤局部化特点的敏感损伤特征指标及其统计分布规律；结合有限元模型确认技术和概率统计方法，研究基于确认有限元模型的桥梁结构概率损伤诊断方法；以混凝土简支梁桥和连续刚构桥模型的地震模拟振动台损伤试验来验证方法的有效性，同时结合实桥健康监测系统验证平台，探索实桥早期损伤诊断的可行性。本课题研究可以应用于桥梁结构健康监测、损伤识别和安全评估，对于桥梁健康监测具有重要的理论意义和实用价值。

我国桥梁结构正面临复杂服役环境和多灾害荷载共同作用所导致的损伤加速演化的进程，应该 治结构之未病、防患于未然。本课题试图将桥梁健康监测和结构多尺度损伤预后结合起来，研究桥梁结构多尺度损伤预后过程中环境因素和结构参数的不确定性描述，研究桥梁结构多尺度损伤模拟、损伤模型修正及模型确认方法，建立基于模型的桥梁结构多尺度损伤预后方法；进一步地，研究基于小波神经网络技术的数据驱动损伤预后方法，建立联合基于模型和数据驱动的桥梁结构多尺度损伤预后综合方法；以独塔斜拉桥模型的地震模拟振动台试验和实桥健康监测系统验证平台，来验证上述多尺度损伤预后方法的有效性和可靠性。本课题研究成果可用于预测预报桥梁结构的安全可靠性和潜在损伤的危害，指导桥梁预防性养护决策，对桥梁健康监测和安全评估具有重要的理论意义和实用价值。

目前，以保障桥梁安全运营为目标的结构健康监测系统与桥梁业主的预期还存在一定差距；其主要原因在于目前健康监测多是事后的损伤识别(Damage Detection-DD)而不是事前的损伤预后（Damage Prognosis-DP）。DD和DP的本质区别在于：DD是基于确定性监测数据来进行损伤识别，而DP是基于历史监测数据预测可能发生的损伤及其影响，主要涉及结构的不确定性和预测结果可靠性验证。损伤预后的主要目的是提醒业主在损伤发生之前就采取必要的技术措施来减轻结构损伤或者制止可能的灾难性破坏的发生，而不是要等到结构损伤发生以后才发现。 本项目的特色是将结构多尺度损伤模拟分析与健康监测数据反演损伤特征相结合，来达到桥梁结构损伤预后的目的；主要研究内容如下：（1）复杂服役环境下桥梁结构参数、荷载与环境的不确定性分析；（2）桥梁结构多尺度损伤模型修正及模型确认方法；（3）基于模型确认的桥梁结构多尺度损伤预后方法；（4）数据驱动的桥梁结构损伤预后方法；（5）桥梁结构多尺度损伤预后方法的可靠性验证及应用。 项目研究取得的主要成果如下：（1）建立了灌河大桥环境温度、车辆荷载及结构响应的参数不确定性量化模型；（2）基于WIM监测建立了江苏省高速公路桥梁汽车荷载模型、疲劳荷载模型和重车疲劳荷载模型，可为新桥设计和旧桥加固设计提供依据；（3）开展了大跨度斜拉桥模型的地震模拟振动台多台阵试验研究，积累了大量的试验数据，可为结构损伤预后方法提供必要的试验验证；（4）建立了基于两阶段响应面的结构多尺度模型修正&确认方法；（5）建立了基于区间响应面模型的有限元模型修正和确认方法；（6）基于学习原理，建立了斜拉桥拉索随机损伤预后的隐式BP神经网络方法；（7）提出了基于数据驱动的大跨度斜拉桥安全预后综合方法；（8）建立了基于小波神经网络和多尺度模型的斜拉桥钢主梁疲劳损伤预后方法；（9）建立了复杂环境作用下基于概率盒的斜拉桥损伤预后方法；（10）在研究超材料梁减振性能的基础上，探讨了超材料结合梁斜拉桥的损伤预后方法。 在国内外学术刊物上发表了10篇SCI检索论文、15篇EI检索论文；发明专利4个（1个授权、3个受理）；获得福建省科技进步二等奖一项。在人才培养方面：已毕业博士生4名、毕业硕士生8名。 项目研究成果在京沪高速新沂河大桥、沈海高速灌河大桥以及长深高速淮安大桥等的监测与评估中得到了推广应用 2100433B