基于健康监测的斜拉桥结构在线安全评估方法研究

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大跨度桥梁的安全评估是结构健康监测的目的之一,其重要性已得到广泛认可。为实时掌握桥梁的安全状况,迫切需要实现桥梁结构静动力特性的实时识别、有限元模型的自动修正以及在线安全评估。以灌河大桥作为工程背景,建立基于健康监测的大跨度斜拉桥在线安全评估方法。
  主要研究工作如下:
  (1)通过数据驱动的随机子空间识别方法生成频率-MPD稳定图,采用聚类分析对其进行自动分析,从而实现环境激励下的模态参数自动识别;
  (2)对不同时间尺度下的环境因素影响进行统计学分析,并建立了运营环境因素与模态频率之间的多项式模型;
  (3)推导了贝叶斯框架下的响应面模型修正方法,引入了SGD优化算法和ADAM优化算法求解参数,并联合模态参数自动识别方法建立了斜拉桥的自动模型修正方法;
  (4)选取了模态频率、应变、索力等斜拉桥的典型结构响应作为安全评估指标,通过优序图法、熵值法以及博弈论方法对三类指标进行权重赋值,并联合模态参数自动识别和模型自动修正建立了斜拉桥的在线安全评估方法。
  所得主要结论如下:
  (1)数值算例和实桥分析表明,所提出的模态参数自动识别方法能够用于少先验信息的情况,可自动识别出密集模态结构的模态参数,表现出良好的频率识别精度。
  (2)统计学分析结果表明,斜拉桥的模态频率随温度上升与汽车荷载增加而下降,所建立的多项式模型包含了截面平均温度、竖向加速度RMS等因素,可以较为精确地描述模态频率与运营环境因素的关系,可用于后续的斜拉桥在线安全评估。
  (3)灌河大桥的自动模型修正结果表明,自动模型修正方法的效果较好,修正后计算频率的最大误差在5%以内,可为斜拉桥结构的在线安全评估提供基准有限元模型。
  (4)基于一段时期内的实桥健康监测数据对灌河大桥进行在线安全评估,其综合安全评分稳定在84分左右,表明灌河大桥的安全状态维持在较好水平。
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