本文關鍵詞：基于時頻分析的運營橋梁模態(tài)參數(shù)識別方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱工業(yè)大學》 2009年

大型斜拉橋基于健康監(jiān)測的模型修正、損傷診斷與預警方法

侯立群  

【摘要】：本文針對大型橋梁結構健康監(jiān)測中所涉及到的幾項關鍵科學與技術問題進行了系統(tǒng)研究,包括:振動監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)、模態(tài)參數(shù)識別與頻率的溫度影響分析、有限元建模與模型修正、損傷識別與診斷以及極端事故預警。主要研究內(nèi)容如下: 首先,總結了橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)設計和實現(xiàn)過程中的實踐經(jīng)驗,并針對具體技術問題給出了解決方案和指導性建議。 其次,提出了綜合利用多個短時無車時段中的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行模態(tài)參數(shù)識別的時頻分析方法,該方法利用小波分析進行頻帶提取,并直接在時域中識別模態(tài)參數(shù)。它在一定程度上解決了自由交通荷載下的橋梁模態(tài)參數(shù)識別問題。不過利用這一方法識別出的斜拉橋模態(tài)參數(shù)仍包含溫度影響成分,因此本文結合實測數(shù)據(jù)并利用有限元模型,研究了溫度對濱州斜拉橋實測頻率的影響規(guī)律和內(nèi)在影響機理,并以此為依據(jù)給出了動態(tài)匹配建模法,該方法能去除溫度與頻率的線性相關成分。 第三,考慮到建立基準有限元模型是斜拉橋結構動力分析、損傷識別、安全評定及預警的不可或缺的前提和基礎,本文模擬了濱州斜拉橋的懸臂施工和調(diào)索過程對其進行有限元參數(shù)化建模,并基于實測索力和頻率修正了模型的質(zhì)量參數(shù)和剛度參數(shù)。在此過程中給出了模型索力調(diào)節(jié)算法和提高模型修正計算效率的實用方法。 第四,本文以修正后的有限元模型為基礎,考慮到噪聲干擾的隨機性和損傷特征的穩(wěn)定性,提出了斜拉橋橋面損傷定位的三點直線擬合曲率法,該方法具有一定的抗噪聲能力,其基本思想如下:利用結構損傷前后多次識別得出的模態(tài)振型求得多條曲率差曲線,將這些曲率差曲線中穩(wěn)定為正的位置認定為損傷位置,將時正時負的位置認定為無損傷位置。對上述思想進行拓展,本文進一步提出了基于癥狀匹配的斜拉橋損傷經(jīng)驗診斷系統(tǒng)框架。這個框架以損傷癥狀數(shù)據(jù)庫為基礎,以癥狀匹配機制為核心。在此框架的指導下,本文利用有限元分析建立了濱州斜拉橋的損傷癥狀數(shù)據(jù)庫,給出了癥狀匹配的通用算法框架,并在此基礎上給出了斜拉索損傷診斷的具體算法。由于該診斷系統(tǒng)并非基于嚴密的邏輯推理,而是基于部分信息的經(jīng)驗判斷,因此其對測試精度不足和測試信息不完備具有一定的魯棒性。 最后,本文研究了濱州斜拉橋極端事故的預警方法。斜拉橋在極端事故發(fā)生之前通常會先進入亞臨界狀態(tài),因此識別亞臨界狀態(tài)是極端事故預警的關鍵。本文基于修正后的濱州斜拉橋有限元模型,詳細分析了濱州斜拉橋處于五類主要的亞臨界狀態(tài)時,其可監(jiān)測到的力學指標的變化特征,并給出了基于力學指標的變化對濱州斜拉橋亞臨界狀態(tài)進行綜合預警的方法。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：U446.2
【目錄】：

摘要4-6

Abstract6-19

第1章 緒論19-38

1.1 課題背景19-21

1.2 橋梁健康監(jiān)測的意義21-22

1.3 橋梁健康監(jiān)測的研究與應用現(xiàn)狀22-36

1.3.1 橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述22-24

1.3.2 橋梁模態(tài)參數(shù)識別24-27

1.3.3 橋梁有限元建模及模型修正27-29

1.3.4 溫度對橋梁自振頻率的影響29

1.3.5 橋梁損傷識別29-36

1.4 本文的主要研究內(nèi)容36-38

第2章 大型橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)38-48

2.1 引言38

2.2 大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)概述38-39

2.3 大型橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計39-40

2.3.1 振動監(jiān)測系統(tǒng)的功能及監(jiān)測目標39-40

2.3.2 系統(tǒng)組成40

2.4 加速度傳感器子系統(tǒng)40-42

2.4.1 加速度傳感器的選型原則40

2.4.2 加速度傳感器的現(xiàn)場質(zhì)量檢測和標定40-41

2.4.3 加速度傳感器的數(shù)量確定及測點布置41

2.4.4 加速度傳感器的安裝方案41-42

2.5 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)42-43

2.6 數(shù)據(jù)在線分析子系統(tǒng)43-45

2.6.1 數(shù)字濾波及重采樣43-44

2.6.2 頻譜分析44-45

2.6.3 頻率識別45

2.7 數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)45-47

2.7.1 數(shù)據(jù)長期保存45-47

2.7.2 數(shù)據(jù)管理47

2.8 本章小結47-48

第3章 基于時頻分析的運營橋梁模態(tài)參數(shù)識別方法48-68

3.1 引言48

3.2 基于白噪聲激勵的模態(tài)參數(shù)識別方法48-58

3.2.1 NExT 法48-50

3.2.2 ERA 法50-53

3.2.3 具體實現(xiàn)過程53-54

3.2.4 識別虛假模態(tài)的方法54

3.2.5 濱州黃河公路大橋模態(tài)參數(shù)識別仿真分析54-57

3.2.6 基于白噪聲激勵的模態(tài)參數(shù)識別方法的局限性57-58

3.3 基于小波分析的模態(tài)參數(shù)識別方法58-67

3.3.1 運營橋梁振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的時頻分析58-59

3.3.2 基于小波分析的頻帶提取方法59-61

3.3.3 單模態(tài)頻帶范圍的確定61-62

3.3.4 單模態(tài)頻帶的提取62

3.3.5 單模態(tài)穩(wěn)態(tài)可靠數(shù)據(jù)的選取62-63

3.3.6 單模態(tài)數(shù)據(jù)的頻率識別方法63-64

3.3.7 單模態(tài)數(shù)據(jù)的振型識別方法64

3.3.8 模態(tài)識別結果的綜合后處理方法64-66

3.3.9 濱州斜拉橋模態(tài)識別的結果評價66-67

3.4 本章小結67-68

第4章 斜拉橋模態(tài)參數(shù)的溫度影響分析68-82

4.1 引言68

4.2 斜拉橋實測頻率與環(huán)境溫度的關系68-75

4.2.1 一天內(nèi)的溫度變化對斜拉橋頻率的影響68-69

4.2.2 季節(jié)溫度變化對斜拉橋頻率的影響69-75

4.3 斜拉橋自振頻率的溫度影響機理75-79

4.3.1 溫度—彈性模量—頻率75-76

4.3.2 溫度—橋型和內(nèi)力—頻率76-78

4.3.3 基于有限元分析的溫度影響機理78-79

4.4 去除溫度與頻率的線性相關成分79-80

4.5 本章小結80-82

第5章 斜拉橋參數(shù)化建模與模型修正82-98

5.1 引言82-83

5.2 濱州黃河公路大橋初始有限元建模83-85

5.2.1 濱州黃河公路大橋簡介83

5.2.2 單元選擇和關鍵部件的建模方法83-84

5.2.3 考慮施工順序的建模方法84-85

5.3 初始平衡構型的確定85-92

5.3.1 斜拉橋以理想平衡構型為目標的調(diào)索方法86-90

5.3.2 基于實測索力的橋面系質(zhì)量參數(shù)的修正90

5.3.3 斜拉橋模型的初始平衡構型的確定90-92

5.4 基于實測頻率的模型剛度參數(shù)的修正方法92-97

5.4.1 原始頻率函數(shù)的逼近函數(shù)92-94

5.4.2 考慮初始內(nèi)力狀態(tài)的模態(tài)分析94

5.4.3 基于遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化算法94-95

5.4.4 模型參數(shù)的修正過程95-97

5.5 本章小結97-98

第6章 噪聲干擾下斜拉橋損傷定位的三點直線擬合曲率法98-111

6.1 引言98

6.2 噪聲干擾與結構損傷在信號特征上的差異98-99

6.3 斜拉橋損傷定位的三點直線擬合曲率法99-101

6.3.1 噪聲隨機性和結構損傷特征的穩(wěn)定性99

6.3.2 結構振型的三點直線擬合曲率的求解方法99-100

6.3.3 結構損傷定位的三點直線擬合曲率法100-101

6.4 斜拉橋損傷定位三點直線擬合曲率法的算法流程101-102

6.4.1 基本說明101

6.4.2 總體算法101

6.4.3 算法1101-102

6.4.4 算法2102

6.5 濱州斜拉橋損傷定位的仿真分析102-109

6.5.1 基本說明102-103

6.5.2 損傷1 的識別103-104

6.5.3 損傷2 的識別104-105

6.5.4 損傷3 的識別105

6.5.5 損傷4 的識別105-106

6.5.6 損傷5 的識別106-108

6.5.7 多損傷的識別108-109

6.6 應用中需注意的幾個問題109-110

6.7 本章小結110-111

第7章 基于癥狀匹配的斜拉橋損傷經(jīng)驗診斷系統(tǒng)111-126

7.1 引言111-112

7.2 基于癥狀匹配的斜拉橋損傷經(jīng)驗診斷方法112-115

7.2.1 確定性的判斷和經(jīng)驗性的判斷112

7.2.2 斜拉橋的力學癥狀112-113

7.2.3 結構癥狀學與結構診斷學113

7.2.4 損傷癥狀數(shù)據(jù)庫113

7.2.5 癥狀匹配113-114

7.2.6 及格原則與滿分原則114

7.2.7 權威原則114

7.2.8 損傷診斷策略114-115

7.3 濱州斜拉橋損傷癥狀數(shù)據(jù)庫的建立115-119

7.3.1 損傷癥狀數(shù)據(jù)庫的整體框架115-116

7.3.2 斜拉索損傷癥狀數(shù)據(jù)庫116-117

7.3.3 橋面系損傷癥狀數(shù)據(jù)庫117-119

7.4 癥狀匹配與綜合診斷119-122

7.4.1 癥狀匹配的算法框架120-121

7.4.2 綜合診斷算法框架121-122

7.5 斜拉索損傷經(jīng)驗診斷算法122-125

7.5.1 算法描述122-124

7.5.2 算法分析124-125

7.6 本章小結125-126

第8章 斜拉橋亞臨界狀態(tài)的識別與極端事故預警126-148

8.1 引言126

8.2 斜拉橋的亞臨界狀態(tài)126-128

8.2.1 斜拉橋亞臨界狀態(tài)的定義126

8.2.2 斜拉橋亞臨界狀態(tài)的分類126-128

8.3 斜拉橋亞臨界狀態(tài)的分析方法128-131

8.3.1 有限元模型的應用128-129

8.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法129-131

8.4 濱州斜拉橋第一類亞臨界狀態(tài)的識別及預警131-134

8.4.1 索力不平衡時的橋塔狀態(tài)分析131-132

8.4.2 重車偏載時的橋塔狀態(tài)分析132

8.4.3 強風作用時的橋塔狀態(tài)分析132-134

8.4.4 綜合預警134

8.5 濱州斜拉橋第二類亞臨界狀態(tài)的識別及預警134-140

8.5.1 索力分析134-135

8.5.2 橋面系頻率分析135-137

8.5.3 主梁應變分析137-139

8.5.4 特征點位移分析139-140

8.5.5 綜合預警140

8.6 濱州斜拉橋第三類亞臨界狀態(tài)的識別及預警140-143

8.6.1 橋面系頻率分析140-141

8.6.2 主梁應變分析141-142

8.6.3 主梁位移分析142

8.6.4 綜合預警142-143

8.7 濱州斜拉橋第四類亞臨界狀態(tài)的識別及預警143-145

8.7.1 主梁應變分析143-144

8.7.2 綜合預警144-145

8.8 濱州斜拉橋第五類亞臨界狀態(tài)的識別及預警145-147

8.8.1 橋塔基礎沉降145-146

8.8.2 邊塔豎向支撐失效146

8.8.3 綜合預警146-147

8.9 本章小結147-148

結論148-150

參考文獻150-163

攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及其他成果163-165

致謝165-167

個人簡歷167

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6 黎學明;楊文靜;江梅;;斜拉橋拉索結構中鋼絞線腐蝕行為初探[A];第十三次全國電化學會議論文摘要集（下集）[C];2005年

7 李永樂;廖海黎;李明水;鄭史雄;張明金;;人工模擬降雨條件下斜拉索雨振特性模型風洞試驗研究[A];第十三屆全國結構風工程學術會議論文集（中冊）[C];2007年

8 顧明;;斜拉橋拉索風雨激振的實驗和理論研究[A];第九屆全國振動理論及應用學術會議論文集[C];2007年

9 江濤;陳燊;;帶固定水線拉索繞流的數(shù)值模擬[A];第十三屆全國結構風工程學術會議論文集（下冊）[C];2007年

10 張國林;李輝;黃僑;;斜拉索主要病害分析及其養(yǎng)護維修策略[A];全國既有橋梁加固、改造與評價學術會議論文集[C];2008年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 本版撰文/本報記者 王媛;[N];哈爾濱日報;2009年

2 中國建筑科學研究院副院長 王有為;[N];中國建設報;2000年

3 徐蘭山;[N];科技日報;2004年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 范哲;大跨斜拉橋有限元模型修正與結構損傷監(jiān)測方法研究[D];大連理工大學;2013年

2 禹見達;磁流變阻尼器對斜拉橋拉索振動控制的理論與試驗研究[D];湖南大學;2007年

3 王波;大跨斜拉橋拉索局部振動特性及其影響研究[D];華中科技大學;2008年

4 肖志榮;大跨度斜拉橋拉索的非線性振動及智能半主動控制研究[D];浙江大學;2008年

5 蘭成明;平行鋼絲斜拉索全壽命安全評定方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

6 李躍;斜拉橋異形截面預應力混凝土索塔錨固區(qū)受力性能研究[D];華中科技大學;2011年

7 陳水生;大跨度斜拉橋拉索的振動及被動、半主動控制[D];浙江大學;2002年

8 王修勇;斜拉橋拉索振動控制新技術研究[D];中南大學;2002年

9 李延強;基于最敏感索力指標的斜拉橋主梁損傷識別研究[D];北京交通大學;2013年

10 謝曉堯;紅楓湖大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術研究[D];武漢理工大學;2007年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 艾闖;斜拉橋結構體系的抗震性能分析及優(yōu)化[D];西安建筑科技大學;2011年

2 蔡東平;基于無線傳感器的斜拉橋模型固有振動耦合分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

3 吳孫堯;面向健康監(jiān)測的斜拉橋試驗模型設計及其損傷分析[D];浙江大學;2010年

4 王彬;斜拉橋的施工監(jiān)控分析和仿真計算[D];西安建筑科技大學;2011年

5 畢麗媛;斜拉橋有限元分析[D];山東大學;2011年

6 芮偉國;雙菱塔斜拉橋地震反應與推倒分析研究[D];長沙理工大學;2010年

7 李健偉;拉索損傷的斜拉橋靜動力分析和試驗[D];東北林業(yè)大學;2010年

8 程建旗;斜拉橋動力性能分析及健康監(jiān)測研究[D];北京工業(yè)大學;2011年

9 高永進;某斜拉橋線形施工控制系統(tǒng)研究[D];華中科技大學;2012年

10 簡樸;重慶梅溪河斜拉橋施工監(jiān)控技術研究[D];重慶交通大學;2013年

  本文關鍵詞：基于時頻分析的運營橋梁模態(tài)參數(shù)識別方法，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：118355