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基于长期监测数据的大跨桥梁结构状态预警与评估方法及其应用

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大跨桥梁结构基于结构健康监测系统的状态预警与评估是目前国内外学术界和工程界的热点研究领域。如何有效地处理、分析和解读桥梁结构健康监测系统采集的长期海量数据,在此基础上建立桥梁结构的损伤状态预警方法、研究桥梁结构的损伤累积及演化规律、开展桥梁结构安全状态评估是桥梁结构健康监测所而临的最主要的科学问题,这已成为本领域的共识。本文以润扬大桥悬索桥和斜拉桥为研究对象,围绕大跨桥梁结构状态预警与评估这个研究主题,从桥梁结构整体状态监测与损伤预警、结构关键细节损伤监测与寿命评估两个方面,系统地开展基于长期监测数据的大跨桥梁结构状态预警与评估的方法与应用研究。本文的主要工作和成果如下:
　　 1、系统地建立了基于模态频率与环境条件相关性的大跨桥梁整体状态监测与预警方法。主要内容有:①逐步定量地分析了温度、车辆荷载和风对润扬大桥悬索桥模态频率的影响规律;②采用提前停止技术和贝叶斯正则化技术对BP神经网络进行改进,在此基础上提出了环境条件与模态频率的多元相关建模方法;③应用改进BP网络模型消除了环境条件对模态频率的影响,然后采用假设检验的方法建立了桥梁结构整体状态预警方法。分析结果表明,基于改进BP网络和假设检验的预警方法能识别出润扬大桥悬索桥模态频率微小的异常变化,能准确判断结构早期损伤的发生。
　　 2、系统地建立了基于整体纵向位移与环境条件相关性的桥梁伸缩缝损伤预警方法。主要内容有:①逐步定量地分析温度、车辆荷载和风对润扬大桥悬索桥主梁纵向位移的影响规律,在此基础上得到了消除环境影响的位移值,并以此作为伸缩缝的损伤预警指标;②采用统计模式识别中的均值控制图对伸缩缝的异常变化进行判别,从而建立了桥梁结构伸缩缝损伤预警方法。分析结果表明,均值控制图法可以有效地识别出润扬大桥悬索桥伸缩缝位移微小的异常变化,显示了较强的损伤敏感性。
　　 3、系统地建立了而向健康监测的钢箱梁桥焊接细节确定性疲劳寿命预测方法。主要研究内容有:①详细分析了国内外规范的疲劳强度曲线(S-N曲线)的特点,根据Palmgren-Miner线性损伤累积理论和Eurocode3规范中的S-N曲线建立了钢箱梁焊接细节的疲劳累积损伤计算方法;②从多尺度有限元仿真分析和应变实测数据分析两方面详细地研究了润扬大桥钢箱梁焊接细节的疲劳损伤特征;③讨论了利用长期监测数据开展焊接细节疲劳寿命评估的必要性,最后给出了顶板-U形肋和U形肋对接两类焊接细节的疲劳寿命预测结果。分析结果表明,本文提出的方法较全而地考虑了钢箱梁焊接细节的疲劳强度特征和公路钢桥疲劳应力幅谱的特点,从而实现了海量应变监测数据的合理工程应用。
　　 4、系统地建立了钢箱梁桥焊接细节基于长期监测数据的疲劳可靠度评估方法体系。主要内容有:①分别基于S-N曲线和线弹性断裂力学推导了钢箱梁焊接细节的疲劳极限状态方程,从而建立了焊接细节疲劳时变可靠度计算体系;②提出了基于高斯混合分布的焊接细节疲劳荷载效应的概率建模方法,采用EM算法和信息准则方法分别解决了高斯混合模型的参数估计问题和高斯分量数日确定问题;③针对U形肋对接焊缝,根据有限厚板半椭网表而裂纹模型推导了临界损伤累积函数的表达式,并采用随机模拟的方法建立了临界损伤累积函数的概率模型;④采用Monte-Carlo方法计算了润扬大桥钢箱梁焊接细节服役期内的疲劳时变可靠度指标,分析了焊接细节可靠度水平的时变规律和车辆荷载增长对疲劳可靠度的影响。分析结果表明,本文提出的方法能够合理描述钢箱梁焊接细节疲劳可靠度在整个服役期内的演变规律,可为钢箱梁的全寿命疲劳评估与管理维护提供科学的依据。

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