本文關(guān)鍵詞：溫度影響下鋼筋混凝土簡支梁橋動力特性分析與損傷識別方法研究　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：溫度影響下鋼筋混凝土簡支梁橋動力特性分析與損傷識別方法研究橋梁結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代交通運輸系統(tǒng)的主要組成部分,在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用,其安全運營狀態(tài)密切關(guān)系到經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展與人民生命財產(chǎn)安全。橋梁服役過程中,受到日益增長的交通荷載與外部惡劣環(huán)境的影響,不可避免地出現(xiàn)材料性能退化和累積損傷,導(dǎo)致橋梁垮塌事故的發(fā)生。因此,及時、有效地識別橋梁損傷,評價其服役狀態(tài),對保障橋梁運營安全,提高服役壽命具有重要的現(xiàn)實意義。隨著傳感器技術(shù)與模態(tài)分析技術(shù)的不斷發(fā)展,基于動力特性的損傷識別方法在橋梁健康監(jiān)測與損傷識別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,環(huán)境因素,特別是溫度會造成橋梁模態(tài)參數(shù)的顯著改變,使基于動力特性的損傷識別方法失效。在我國季凍區(qū),年溫度跨度接近70℃,勢必會引起橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化,對基于動力特性的損傷識別產(chǎn)生不良影響。因此,分析溫度對橋梁模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律,闡明影響機理,形成有效的模態(tài)參數(shù)溫度影響剔除及損傷識別方法,對提高基于動力特性的損傷識別準確性,促進其工程實用化具有重要作用。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“考慮溫度效應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別技術(shù)及損傷識別方法研究”,針對東北季凍區(qū)環(huán)境因素對鋼筋混凝土簡支梁橋動力特性的影響進行了統(tǒng)計分析,明確了溫度對模態(tài)參數(shù)的影響機理,提出了有效的溫度影響剔除方法。在此基礎(chǔ)上,基于統(tǒng)計過程控制、模糊聚類與模糊推理方法,實現(xiàn)了溫度影響下的簡支梁橋損傷識別。本文開展的具體研究工作如下:1.通過對鋼筋混凝土簡支梁的長期監(jiān)測,揭示了季凍區(qū)環(huán)境影響下簡支梁橋模態(tài)參數(shù)的變異規(guī)律與內(nèi)在影響機理。首先,采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法定量評價環(huán)境因素對模態(tài)參數(shù)的影響程度,確定出主要環(huán)境影響因素;然后,考慮主要環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的影響,基于統(tǒng)計分析明確了溫度對模態(tài)參數(shù)的影響規(guī)律;最后,從混凝土材料性能依溫特性與結(jié)構(gòu)內(nèi)力改變?nèi)胧?闡釋了溫度影響模態(tài)頻率的內(nèi)在機理。2.考慮溫度不均勻分布對模態(tài)頻率的影響,構(gòu)建了鋼筋混凝土簡支梁模態(tài)頻率量化模型,剔除了模態(tài)頻率的溫度影響。通過主成分分析,對溫度測試數(shù)據(jù)進行降維處理,消除測試溫度間的相關(guān)性;采用多元線性回歸、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量回歸、遺傳優(yōu)化支持向量回歸技術(shù)構(gòu)建了考慮溫度不均勻分布的模態(tài)頻率量化模型,基于均方根誤差與相關(guān)系數(shù)定量對比了各模型的預(yù)測性能;結(jié)合模態(tài)頻率長期監(jiān)測值與遺傳優(yōu)化支持向量回歸模型預(yù)測值,剔除了溫度對模態(tài)頻率的影響,通過對比剔除溫度影響前后的模態(tài)頻率變異程度驗證了遺傳優(yōu)化支持向量回歸模型剔除模態(tài)頻率溫度影響的有效性。3.針對剔除溫度影響后模態(tài)頻率存在的隨機性與不確定性,提出了基于休哈特均值控制圖與粒子群優(yōu)化模糊C均值聚類的損傷預(yù)警與評價方法。對無損狀態(tài)下的模態(tài)頻率進行統(tǒng)計分析,確定休哈特均值控制圖控制界限,通過損傷引起的模態(tài)頻率異常變化,實現(xiàn)損傷的早期預(yù)警;利用粒子群優(yōu)化模糊C均值聚類算法對典型損傷狀態(tài)下的模態(tài)頻率進行聚類分析,確定損傷等級聚類中心,通過計算未知狀態(tài)模態(tài)頻率到各聚類中心的模糊隸屬度進行損傷程度評價與定量識別。4.基于自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元休哈特控制圖與粒子群優(yōu)化模糊C均值聚類算法,提出了不依賴溫度測試數(shù)據(jù)的損傷診斷與評價方法。將溫度作為模態(tài)頻率的潛在影響變量,利用無損狀態(tài)下的模態(tài)頻率對自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練,建立溫度與模態(tài)頻率的潛在映射關(guān)系;采用訓(xùn)練完成的自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對損傷狀態(tài)模態(tài)頻率進行重構(gòu),通過多元休哈特控制圖對重構(gòu)殘差進行檢驗,辨識損傷出現(xiàn);以重構(gòu)殘差為損傷程度評價指標(biāo),對典型損傷狀態(tài)下的重構(gòu)殘差進行聚類分析,通過計算未知狀態(tài)下自聯(lián)想神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)殘差到聚類中心的隸屬度實現(xiàn)損傷程度評價與定量識別。5.針對剔除溫度影響后模態(tài)參數(shù)不確定性對損傷定位與局部損傷程度識別的影響,基于均勻荷載面曲率差與模糊推理理論,提出了一種具有較強魯棒性的損傷識別方法。該方法以損傷前后的均勻荷載面曲率差作為損傷識別指標(biāo),采用標(biāo)準化后的均勻荷載面曲率差與單元損傷狀態(tài)作為模糊推理系統(tǒng)的輸入、輸出參數(shù),選取高斯隸屬度函數(shù)及鐘形隸屬度函數(shù)對輸入、輸出參數(shù)進行模糊化,通過建立損傷狀態(tài)與損傷識別參數(shù)間的對應(yīng)關(guān)系,構(gòu)建模糊規(guī)則庫,實現(xiàn)損傷位置與損傷程度的模糊推理。簡支梁數(shù)值模擬與模型梁試驗結(jié)果表明,該方法具有較強的推理能力和抗噪能力,驗證了本文提出方法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U446
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本文編號：1312374