论文部分内容阅读
为了保证大型悬索桥的运营和结构安全,对其结构的技术状态进行评估、对异常状况进行预警是十分紧迫和必要的。现阶段,桥梁养管信息具有数据量大、类型多样的特点,但桥梁状态评估仍处于以人工检查数据为主的阶段,未能充分利用累积的大量养管数据;对桥梁预警而言,实际应用中仍以静态预警为主,时常出现误报、漏报,影响业主对预警系统的信心。在桥梁大数据背景下,充分利用既有桥梁养管信息,建立大跨悬索桥状态评估模型,并对时间序列数据进行深入挖掘,提出适用于序列指标的评估方法;考虑桥梁运营环境的多变性,在确定预警阈值的过程中考虑交通量的变化、结构累积损伤和环境温度变化的影响,实现桥梁动态异常预警。本文的主要研究内容如下:(1)基于多源信息的大跨悬索桥状态评估模型研究。以桥梁养管多源信息(人工检查数据、无损检测数据和长期监测数据)为基础,结合悬索桥结构特点和病害特征,以完全性、简捷性、独立性、客观性和可检性为原则,通过专家调查问卷、专家会议、资料调研和实地调查等手段,建立基于多源信息的大跨悬索桥状态评估模型。在全国范围内挑选45名专家学者进行问卷调查,采用群组AHP的方法,确定指标体系的初始权重值。与规范规定的权重进行比较分析后发现,计算得到的主塔和附属设施的权重值相比于规范权重似更加合理,可供相关规范修编参考。(2)基于多源信息融合的传感器故障诊断方法研究。考虑到既有故障诊断模型在多故障诊断以及传感器故障和结构损伤耦合问题上的局限性,提出基于对称位置传感器监测数据相似性的故障诊断方法。分别从理论分析和实测数据验证两方面,对对称位置传感器监测数据的相似性进行论证。在对称位置传感器监测数据相似性满足要求的前提下,以欧氏距离为相似性指标,采用Dasarathy信息融合模型,实现对称位置传感器故障识别。通过对传感器两两诊断的方式解决系统多故障分析的问题。针对传感器故障和结构损伤的耦合问题,根据证据推理理论,提出目标区域综合相似度的概念,通过判断目标传感器与目标区域综合相似度的一致程度,判断监测数据异常的原因。在确定可疑传感器对之后,采用回归拟合分析,根据物理冗余信息进行传感器故障的隔离和重构。以某悬索桥多种类型传感器的监测数据(线形监测数据、应力监测数据等)对传感器故障诊断方法的有效性进行验证。(3)基于数据挖掘的监测序列指标评估方法研究。鉴于恒载效应的稳定性特点,选取恒载效应作为序列指标评估的主体。考虑到封桥获取恒载效应的成本高、影响大,以长期监测数据为基础,结合数值分析计算恒载效应水平的比例系数,提出一种在随机车流荷载作用下的恒载效应提取方法。以某悬索桥线形监测数据为例,对恒载效应提取方法的准确性进行论证。以提取的恒载效应为评估主体,考虑序列指标均匀性和非均匀性的特点,运用灰色关联度的计算方法,对监测时序指标进行评估。以某悬索桥多年监测序列数据为例,对悬索桥加劲梁恒载线形指标进行评估。(4)基于系统工程理论的桥梁状态评估算法研究。针对评估过程中指标间的均衡性问题,提出2种可选算法。参照因素变权理论,提出时间变权的概念,并给出时间变权的定义。考虑常权综合和传统因素变权的局限性,提出时间-因素双变权模型。通过某悬索桥4个典型案例,对时间-因素双变权模型的有效性进行验证。引入局部变权理论,建立适合桥梁评估过程的局部变权模型。通过大量案例试算,确定局部变权模型中参数惩罚水平和变权幅度的大小。通过4个典型案例,对局部变权模型的有效性进行验证。对评估过程中的不确定性问题,以云理论为基础,提出正态云模型模拟桥梁评估过程中的不确定性。与经典的模糊隶属度模型相比,正态云模型不仅考虑了评估过程中的模糊性,还考虑了随机性的影响。(5)设计开发了适用于大型悬索桥评估的智能化评估系统。考虑到算法的复杂性,为了进一步提升评估方法的可操作性,设计开发了大型悬索桥智能化评估系统。该系统采用MYSQL数据库,B/S网络模式,集桥梁信息管理、检查与检测、评估、预警与预测、统计报表以及查询与帮助于一体。以三座典型大型悬索桥为例,验证开发的评估软件平台的适用性。(6)基于时间序列数据的动态预警方法研究。在分析总结既有桥梁预警体系的基础上,考虑各级预警的物理意义,选择典型的2级预警体系,分别为黄色预警和红色预警。考虑到静态预警方法的局限性,提出桥梁动态异常预警的概念。采用Pareto极值理论,对设计基准期(100年)内95%保证率对应的黄色预警阈值基准线进行预测。考虑交通量增长以及结构累积损伤对预警指标的影响,定期使用最新的预警指标监测数据对阈值基准线进行更新。根据现场测试结果,对有限元模型进行修正,实现对红色预警阈值基准线的定期更新。在阈值基准线的基础上,考虑环境温度对预警指标的影响,采用信号处理方法对温度效应进行分离,实现阈值线随环境温度的变化而变化。以某悬索桥加劲梁跨中挠度为预警指标,对动态预警方法的准确性和稳定性进行验证。