第一章緒論

1.1橋梁安全評估的研究目的和意義
在經(jīng)濟日益發(fā)達的今天，隨著交通量的逐漸增加，橋梁在我們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔迷絹碓酱�。最早定義橋梁作用是跨越障礙的結(jié)構(gòu)，但在今天，橋梁結(jié)構(gòu)往往位于交通的咽喉要道，在國民經(jīng)濟中起到舉足輕重的地位。同樣，橋梁在鐵路建設(shè)當中也起到了不可替代的作用。橋梁是鐵路線路修建中的薄弱和復雜環(huán)節(jié)，對整條線路運行的性能影響甚大。橋梁工程除了一般的跨越河流溝壑、與既有交通設(shè)施立體交叉的功能外，又可以實現(xiàn)減少鐵路用地數(shù)量、保證線路“零沉降”要求、提高線路運營質(zhì)量的目的，因此，對鐵路橋梁的安全性提出了很高的要求。
由于鐵路橋梁大多在野外，環(huán)境比較惡劣，更容易受到環(huán)境的侵燭，并且鐵路橋梁承受的荷載相對較大，在長期運營期間，鐵路橋梁的安全性和使用性會降低，橋梁結(jié)構(gòu)的微小沉降或變形都將造成列車的顛簸，帶來極大的安全隱患，鐵路橋梁事故經(jīng)常發(fā)生在我們身邊。
1940年美國塔可馬大橋，僅僅工作了三個月，就在19 m/s的風速下倒塌。
1962年，美國Kings橋因為疲勞而倒塌。
1967年12月，美國的Sliver大橋垮塌，造成了46人死亡的悲劇。
1994年韓國漢城的圣水大橋跨中斷塌50 m,有15 m橋掉入江中，造成了32人死亡、重傷17人的重大事故。根據(jù)報道，造成橋梁段塌的原因為橋梁長期超荷載運營，鋼梁螺栓桿件疲勞破壞導致的。
1999年1月4日晚6時50分前后，重慶市的人行彩虹橋突然跨塌，造成四十多人死亡，直接經(jīng)濟損失數(shù)百萬元。
2001年，宜賓南門搭橋發(fā)生懸索和橋面某些部位斷裂事故，造成兩死兩傷。
2007年美國明尼蘇達州橫跨Mississippi橋突然倒塌，該橋使用了 40 a。
鑒于鐵路橋梁的重要性及事故的不斷發(fā)生，給人們敲響了警鐘，橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用到鐵路橋梁結(jié)構(gòu)中，對于保證橋梁運營期間的結(jié)構(gòu)安全，查明結(jié)構(gòu)異常原因，起到非常重要的作用。
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1.2現(xiàn)有橋梁安全評估方法分析
經(jīng)過近三十年的研究，橋梁狀態(tài)預(yù)警與評估取得了很大的進展，國內(nèi)外也先后頒布了基于極限狀態(tài)原理和設(shè)計規(guī)范的橋梁評估標準或規(guī)范[3]。但是如何準確評估損傷結(jié)構(gòu)的剩余承載力、安全可靠性和需要維修加固部位，就成為保障橋梁安全運營唾待解決的重大難題。
評估橋梁的健康狀況涉及面很廣，影響因素眾多。橋梁評估可分為三類：第一類是承載能力評定，第二類是技術(shù)狀況評估，第三類是性能實時評價，這三類評估之間既有聯(lián)系又有區(qū)別[4]。第一類承載能力評定一般是由專門的檢測機構(gòu)對一座具體橋梁進行檢測，然后通過分析計算從而確定結(jié)構(gòu)的承載力或是耐久性能等，這種方法需要專門的儀器設(shè)備，并且是不定期檢查，有時候一座橋梁終身的檢查次數(shù)可能不超過兩次。第二類的技術(shù)狀況評估一般是由橋梁養(yǎng)護管理部門針對多座橋梁定期進行病害檢查，然后通過專家系統(tǒng)對每座橋梁的損傷狀況做出評價，它主要以目測為主輔以必要的工具，此類方法無法對承載能力做出準確評定，并且人為因素影響較大。第三類的性能實時評價一般是根據(jù)健康監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)或?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過一定分析方法對橋梁使用性能做出評價，可以實時掌握橋梁的工作性能。
1.2.1橋梁承載能力評定
橋梁承載能力評定分為靜力法和動力法[5]。靜力法是以設(shè)計過程、工程經(jīng)驗判斷和現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范相結(jié)合為基礎(chǔ)，結(jié)合實橋的無損檢測和靜載試驗的結(jié)果進行評定；中國、美國、德國等國均釆用這種方法，評定結(jié)果較為可靠并且易于接受。動力法則是基于結(jié)構(gòu)的動態(tài)和靜態(tài)特性均為結(jié)構(gòu)工作性能的表征，靜態(tài)特性僅僅是動態(tài)特性的特例；但因動力法的經(jīng)驗尚不成熟，因此各種規(guī)范尚未列入。
承載能力可靠度研究主要研究了混凝土碳化以及鋼筋銹蝕等因素，這些因素導致結(jié)構(gòu)抗力不斷衰減。因此，結(jié)構(gòu)的抗力是隨時間變化而變化的參數(shù)，而導致結(jié)構(gòu)抗力衰減的主要原因是鋼筋的繡蝕。
1.2.2技術(shù)狀況評估
評定技術(shù)狀況一般釆用以下兩種方法：簡單的評分，也就是依據(jù)評定狀況的標準和所選擇的病害類型等，對結(jié)構(gòu)的某一部位或是整體結(jié)構(gòu)進行簡單的評分；依據(jù)結(jié)構(gòu)在日常檢查中所暴露出來的一些病害類型，挑選出其中一些必要類型的病害進行分析評價，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件、構(gòu)件組和整體結(jié)構(gòu)依次進行定性的評估分級。
橋梁結(jié)構(gòu)的功能不足、損傷等都可以用技術(shù)狀況來表示，并且用技術(shù)狀況等級來描述。技術(shù)狀況等級的確定對于橋梁的養(yǎng)護維修和更換的實施決策是非常重要的，橋梁的養(yǎng)護維修工作人員可以根據(jù)橋梁技術(shù)狀況等級來確定結(jié)構(gòu)是否現(xiàn)在維修或是將來的一個時間段內(nèi)需要維修。
橋梁的剩余承載能力通常利用技術(shù)狀況等級指標來測定。橋梁構(gòu)件經(jīng)常被橋梁管理者用與退化有關(guān)的離散技術(shù)狀況來描述，技術(shù)狀況等級水平最低的結(jié)構(gòu)要首先進行養(yǎng)護處理。
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第二章動態(tài)響應(yīng)監(jiān)測信號預(yù)處理

本文主要任務(wù)是實現(xiàn)單體鐵路橋梁實時狀態(tài)安全預(yù)警，由于加速度信號在規(guī)范中沒有相應(yīng)的安全限值，因此需要將其轉(zhuǎn)換成規(guī)范中現(xiàn)有的振幅信號和頻域信號，以便特征參數(shù)提取和安全限值制定。同時，由于傳感器獲取的信號時常伴有各種噪聲，影響信號特征參數(shù)提取，因此需要對信號進行預(yù)處理，提高檢測信號信噪比。

2. 1常見的信號預(yù)處理方法
在時域內(nèi)對信號進行濾波、放大、統(tǒng)計特征計算、相關(guān)性分析等處理，都統(tǒng)稱為信號的時域分析，通過時域分析方法，可以有效的提高信噪比，求取信號波形在不同時刻的相似性和關(guān)聯(lián)性。
常見的信號預(yù)處理方法主要包括[13]
(1)信號不同種類轉(zhuǎn)換。根據(jù)實際需要把信號轉(zhuǎn)換為便于應(yīng)用的信號形式。電阻信號、電容信號、電壓信號等都是比較常見的傳感器輸出信號的形式。在對信號進行分析處理時，常常將不同形式的信號根據(jù)實際情況進行轉(zhuǎn)換，例如本文采集到的信號為電壓信號，需要將其轉(zhuǎn)換成加速度信號才能繼續(xù)以后的研究。
(2)信號放大。為了增強相對較弱信號的幅度或強度就要對信號進行合理放大。它的目的是為了讓信號在經(jīng)過傳輸特別是經(jīng)過遠距離傳輸后，有足夠的信號強度。
(3)信號濾波。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)分析需要，保留對研究有用的信號，剔除對研究無用的信號頻段和噪聲影響，從而提高信噪比。高通濾波、低通濾波或帶通濾波等都是日常比較常用的信號濾波方法。
(4)去除均值。根據(jù)對信號均值的估計值，消除信號中所含均值成分的過程。例如，在信號的標準差等統(tǒng)計量時，需要去除信號的均值。
(5)去除趨勢項。消除信號中的緩慢變化成分，使信號滿足一定的要求，便于后續(xù)處理，常用的趨勢項消除方法有濾波法、多項式擬合法等。

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2.2濾波器的設(shè)計簡述
數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中的一個很重要的技術(shù)分項，它可以在各種信號中提取實際所需要的信號，同時還能剔除無用的信號，如干擾或是噪聲。數(shù)字濾波器有很大的優(yōu)越性，例如它穩(wěn)定性好、精度高、靈活性強、體積小等，越來越多的受到人們的重視，并且在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。
數(shù)字濾波器的實質(zhì)是：為了實現(xiàn)對信號濾波處理的效果，從而利用一種有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性時不變系統(tǒng)。其輸入的是一組由模擬信號經(jīng)過處理的數(shù)字信息，輸出是經(jīng)過處理的另一組數(shù)字量。它既可以是一臺由數(shù)字硬件裝配成的用于完成濾波功能的專用機，也可以是由通用計算機完成的一組運算程序。
設(shè)計數(shù)字濾波器的過程一般可以分為以下幾個步驟：
(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)的要求確定所選濾波器的性能指標。
(2)求出數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)或是單位沖擊響應(yīng)。
(3)用有限精度的運算實現(xiàn)所設(shè)計的系統(tǒng)函數(shù)，包括選擇運算結(jié)構(gòu)、選擇合適的字長以及有效的數(shù)字處理方法。根據(jù)設(shè)計出來的系統(tǒng)函數(shù)，就可以選擇相應(yīng)的實現(xiàn)方法。
(4)驗證所設(shè)計的系統(tǒng)是否滿足給定的性能指標，不滿足時對第(2)(3)步進行修改。
一般的，體現(xiàn)濾波器的性能要求往往依據(jù)頻率響應(yīng)的幅度特性誤差允許范圍。數(shù)字濾波器可以分為無限沖擊響應(yīng)(IIR)和有限沖擊響應(yīng)(FIR)[13]。常用的IIR濾波器有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓濾波器等。
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第三章基于數(shù)據(jù)的時域?qū)崟r預(yù)警參量制定............................21
3.1基于監(jiān)測數(shù)據(jù)估計車速...................................21
3.1.1車速估計基本思路..................................21
3.1.2自相關(guān)函數(shù)分析..........................................22
3.2時域特征值的提取與分析.....................................24
3.2.1觀察速度對信號振幅的影響...............................24
3.2.2速度對無量綱參數(shù)的影響分析.................................26
3.3最大振幅隨時間變化情況...........................................30
3.4速度影響的歸一化處理......................................31
3.5歸一化參數(shù)的統(tǒng)計分布..........................................33
3.6實時預(yù)警參數(shù)安全限值的制定.................................34
3.6.1橋檢規(guī)安全限值分析......................................34
3.6.2安全預(yù)警限值制定原則.....................................35
3.6.3預(yù)警參數(shù)限值制定.......................................36
3.7歸一化預(yù)警參數(shù)超限原因分析與解決方法............................36
3.8本章小結(jié)......................................37

第四章基子數(shù)據(jù)的頻域?qū)崟r預(yù)警參量制定

第三章中構(gòu)造的Amax可以實現(xiàn)對32 m鐵路橋梁狀態(tài)實時安全預(yù)警目的，然而列車速度估計和歸一化過程相對復雜，并且該參數(shù)受列車載重等因素的影響�；诖吮菊鹿�(jié)重新構(gòu)造一種在不同運行條件下便于分析研究并反映橋梁自身特性的參量。
工程上所測的信號一般為時域信號，只能在波形上比較它們的特征，但故障的發(fā)生、發(fā)展往往引起信號頻率結(jié)構(gòu)的變化，為了更好的了解信號的動態(tài)信息，需要進行頻域分析[32]。信號分解為傅里葉級數(shù)后，得到的是直流分量和無窮多正弦分量的和，從而可在頻域內(nèi)比較信號，很容易看出信號的某些特性。因此本章節(jié)在頻域上展開對信號的研究分析。
圖4-1為本章節(jié)研究的主要思路。

4. 1信號頻域分析內(nèi)容
頻域常見的分析方法為幅值譜分析和功率譜估計兩類，具體分析方法如下介紹。
4.1.1幅值譜分析
幅值譜表示對應(yīng)于各頻率的諧波振動分量所具有的振幅，應(yīng)用時比較直觀。幅值譜上譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。信號幅值譜分析的理論基礎(chǔ)是離散信號的傅里葉變換(DFT)。對有限長度離散時間序列的傅里葉變換成為離散傅里葉變換。由于加速度傳感器測得的橋梁振動加速度信號為離散信號，所以本文需用離散傅立葉變換進行分析。但由于離散傅立葉變換計算量太大，計算成本過高，缺乏實用性，特別是在實現(xiàn)頻譜的實時分析方面，無法應(yīng)用于實際[33]。由于快速傅立葉變換減少了對離散傅立葉變換所需要的運算次數(shù)，可以提高使用效率，因此本文選取快速傅立葉變換。
4.1.2功率譜估計

本文編號：8391