處于正常運營期間的橋梁,由于動靜荷載的作用、材料特性隨時間的變化以及橋梁所處環(huán)境的影響等多種因素,將不可避免地產(chǎn)生損傷,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體功能的削弱。橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是橋梁在正常使用過程中捕捉橋梁信息、判斷橋梁健康特征的重要手段,構(gòu)建完善的系統(tǒng)能夠及時反映橋梁出現(xiàn)的問題,保證人民群眾的人身安全,避免經(jīng)濟(jì)的大量損失,其中傳感器子系統(tǒng)和診斷與預(yù)警子系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的兩個重要組成部分。如何在保證采集信息完整的前提下節(jié)約傳感器子系統(tǒng)的造價,優(yōu)化傳感器的采用數(shù)量和布置位置,并通過該系統(tǒng)采集的信息識別橋梁產(chǎn)生的損傷是近年來研究的熱點。本文首先針對大跨橋梁的傳感器優(yōu)化布置問題,結(jié)合遺傳算法和嵌套分區(qū)算法提出了適用于解域龐大、離散變量多、極值密集問題的嵌套層迭遺傳算法,并建立了算法的完整數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。利用兩個基準(zhǔn)函數(shù)測試對比了新型算法和傳統(tǒng)遺傳算法的優(yōu)化能力,得到新型算法優(yōu)化能力更為突出的結(jié)論。然后基于烏海黃河特大矮塔斜拉橋的工程實例,建立了ANSYS有限元實體模型,并進(jìn)行了相應(yīng)的動力模態(tài)分析。依據(jù)該類橋梁的結(jié)構(gòu)特點和動力特性,確定橋梁的主要監(jiān)測對象。最后根據(jù)監(jiān)測對象分別采用相應(yīng)的優(yōu)化布置準(zhǔn)則,利用嵌套層迭遺傳算法對該工程實例進(jìn)行計算,得到了較為全面的傳感器布置方案。為了推廣新型算法對不同問題的適用性,本文依據(jù)依托工程的簡化模型數(shù)據(jù)計算分析了新型算法所包含參數(shù)的敏感性,給出了相應(yīng)參數(shù)的取值范圍,為同類問題的計算提供了參考。在采用了相應(yīng)的傳感器布置方案后,本文依據(jù)其中加速度傳感器的布置方案,測試了近年研究較多的曲率模態(tài)法、柔度曲率差法和均勻荷載面法三種損傷識別指標(biāo)。將矮塔斜拉橋按照受力和外形特點分區(qū)后,采用仿真手段模擬理論上單點與兩點損傷的發(fā)生,分多個工況研究了指標(biāo)的識別性。大量數(shù)據(jù)測試表明,理論上,基于傳感器布置方案下的曲率模態(tài)法無法進(jìn)行損傷識別,結(jié)合柔度曲率差法和均勻荷載面法能夠?qū)Υ蟛糠謸p傷進(jìn)行粗略定位,但是無法精確識別損傷的發(fā)生位置和程度,對于該類問題需要進(jìn)一步研究。本文研究內(nèi)容為內(nèi)蒙古交通科技項目——烏海黃河特大橋健康監(jiān)測與安全評估系統(tǒng)研究項目的一部分,研究成果可為該項目依托工程健康監(jiān)測系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U446;TP212
【部分圖文】：

（1）傳感器系統(tǒng)，主要內(nèi)容為選擇合適的傳感器種類，并合理地布設(shè)在結(jié)構(gòu)中。本文即針對這一部分進(jìn)行研究[6]。（2）數(shù)據(jù)的采集與相應(yīng)的分析系統(tǒng)，主要構(gòu)成為具有高運算能力的計算機(jī)[7]。（3）監(jiān)控指揮中心，可以發(fā)現(xiàn)傳感器所采集數(shù)據(jù)中的異樣并發(fā)出預(yù)警。（4）實現(xiàn)診斷功能的各種程序，需要能夠進(jìn)行損傷位置、程度識別的相應(yīng)指標(biāo)與方法，本文也針對該類問題進(jìn)行了一定的研究。健康監(jiān)測系統(tǒng)實時響應(yīng)的過程如下：由布置于結(jié)構(gòu)中的各類傳感器組成的系統(tǒng)采集橋梁實時信號，經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心，由計算機(jī)系統(tǒng)中的軟硬件及程序進(jìn)行處理和判斷，進(jìn)而評估出橋梁的健康狀態(tài)。若結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常，監(jiān)控中心可以提前發(fā)出預(yù)警，并診斷故障發(fā)生的原因，最終人為治理，保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常運行[8]。

.1 算法的編碼與初始化和 GA 算法類似，在進(jìn)行運算前需要首先確定算法的編碼方式，在橋梁化布置中，建議采用二進(jìn)制或十進(jìn)制進(jìn)行編碼，計算迅速直觀；對于也可使用除十進(jìn)制編碼外的其他浮點數(shù)編碼和符號編碼方式。這里就優(yōu)化布置為例，詳細(xì)介紹 NSGA 算法的編碼過程。對欲布置傳感器的結(jié)構(gòu)，為了避免傳感器布置相鄰而產(chǎn)生信息冗余的情假設(shè)將一定數(shù)目的傳感器均分到全橋長度范圍內(nèi)，即不同的傳感器存位置取值。因此本算法采用十進(jìn)制的編碼方式能夠簡便地處理全橋范的位置。若假設(shè)全橋長度 L，可布置傳感器的點位數(shù)為 n，傳感器數(shù)目為法編碼及初始化步驟如下：步驟 1：將全橋可布置點位編號為 1~n，每個點位對應(yīng)于橋梁模型中的，即存在 1 個位置坐標(biāo) ( ,0,0), ∈ {1,2,…, }；步驟 2：將全橋的長度 L 按照布置傳感器的個數(shù)等分，產(chǎn)生傳感器布置 2-2，每個區(qū)段內(nèi)存在不同數(shù)量的可布置點位，每個區(qū)段的長為： =

圖 2-3 Sphere 函數(shù)Fig. 2-3 Sphere function該函數(shù)在含有兩個自變量情況下的曲面圖。該函數(shù)為 {0,0,…,0}處取得函數(shù)的唯一最小值 = 0。，選取函數(shù)自變量為 10 個，取值范圍為 ∈ [ 100個變量能夠取得 200 個值，那么函數(shù)的解空間大小為A 的對比優(yōu)化方法，兩者的參數(shù)設(shè)定如表 2-1：表 2-1 參數(shù)設(shè)定Tab. 2-1 Parameters setting交叉率 變異率 種群大小 染0.7 0.015 40 0.7 0.015 40 數(shù)則設(shè)為 5000 和 10000 兩種用于計算。經(jīng)過數(shù)次計表 2-2 GA 計算結(jié)果
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本文編號：2894525