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　　【摘要】： 施工監(jiān)控、荷載試驗及運營健康監(jiān)測是大型橋梁結(jié)構(gòu)從施工到運營期間不可或缺的組成部分,分別為橋梁的設(shè)計、施工、使用和維修決策提供性能、狀態(tài)信息和科學(xué)依據(jù)。三者在時間上順次銜接,在監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測手段、技術(shù)路線上有相同之處,在監(jiān)測設(shè)備及監(jiān)測信息上有共享內(nèi)容。將三者綜合考慮進(jìn)行三位一體設(shè)計、建立橋梁全壽命監(jiān)測系統(tǒng),無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從監(jiān)測系統(tǒng)的完整性、監(jiān)測信息的銜接等方面來說,均是最合理的。本文綜合分析了國內(nèi)外大型橋梁監(jiān)測系統(tǒng)及性能分析、安全評定研究現(xiàn)狀,以東營黃河公路大橋為工程依托,提出、設(shè)計和實現(xiàn)了大跨度剛構(gòu)-連續(xù)梁橋施工監(jiān)控、荷載試驗及運營健康監(jiān)測等三位一體的全壽命監(jiān)測系統(tǒng),比較深入系統(tǒng)地分析了各階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)狀態(tài)性能,解決了一些相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。主要研究內(nèi)容如下: 第一,本文提出、規(guī)劃和設(shè)計了剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的全壽命監(jiān)測系統(tǒng)。通過對監(jiān)測系統(tǒng)方案進(jìn)行成本-投資分析,確定了橋梁全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)、功能要求與設(shè)計準(zhǔn)則;在此基礎(chǔ)上,分施工監(jiān)控、荷載試驗及運營健康監(jiān)測等三個階段詳細(xì)介紹了剛構(gòu)-連續(xù)梁橋全壽命監(jiān)測的項目與內(nèi)容,對傳感器尤其是應(yīng)變及溫度傳感器的選型原則及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了說明,對測點優(yōu)化選取問題進(jìn)行了分析;立足于元件共享及信息共享,規(guī)劃、分析、設(shè)計和實現(xiàn)了全壽命監(jiān)測建成系統(tǒng)。 第二,針對關(guān)鍵內(nèi)力及線形控制目標(biāo),進(jìn)行了橋梁施工過程力學(xué)狀態(tài)參數(shù)敏感性分析。從混凝土材料特性、預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力損失、構(gòu)件幾何特性、施工臨時荷載、環(huán)境條件幾個方面共選取了15個狀態(tài)參數(shù),分析了它們的變異性。根據(jù)施工過程及長期運行狀態(tài)下結(jié)構(gòu)線形順適及內(nèi)力均勻合理的總體要求,確定了施工與成橋狀態(tài)的4個控制目標(biāo)。通過調(diào)整狀態(tài)參數(shù)并進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)計算,得到了控制目標(biāo)值并對其進(jìn)行了歸一化處理,分析了控制目標(biāo)對于各狀態(tài)參數(shù)的敏感程度,最終確定了不同控制目標(biāo)下的主要狀態(tài)參數(shù)及次要狀態(tài)參數(shù)。基于混凝土材性實驗,利用混凝土主要參數(shù)的實驗值對結(jié)構(gòu)模型直接進(jìn)行修正,并利用靜載試驗及模態(tài)實驗檢驗了該模型修正方法的有效性。 第三,將灰色控制理論、卡爾曼濾波法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入到主梁懸臂施工線形控制中,并對三者的線形控制效果進(jìn)行了比較分析。將各梁段的撓度數(shù)據(jù)理論值與實測值的比值、差值分別作為狀態(tài)變量建立灰色系統(tǒng)模型,根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)處理方式、模型反饋校正方式的不同,共建立8種灰色系統(tǒng)模型分別進(jìn)行撓度預(yù)測及線形控制,比較東營黃河公路大橋3個“T構(gòu)”施工監(jiān)控的實測數(shù)據(jù),對8種模型的控制效果進(jìn)行了比較分析。將梁段撓度作為狀態(tài)變量,引入了一個遺忘因子,進(jìn)行了自適應(yīng)卡爾曼濾波,通過一步預(yù)測進(jìn)行線形控制。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗及觀測數(shù)據(jù)分析,建立了一個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行撓度偏差預(yù)測。將8種灰色理論模型中控制效果最好的差值型-預(yù)處理數(shù)據(jù)-新陳代謝GM(1,1)模型與卡爾曼濾波及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了比較分析。 第四,對大型剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的溫度及溫度效應(yīng)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析。在施工過程中,選取典型斷面進(jìn)行了溫度場試驗,并對最大懸臂狀態(tài)的T構(gòu)主梁的線形進(jìn)行了同步觀測,總結(jié)了溫度梯度及其兩個主要參數(shù)的變化規(guī)律,將三維溫度場問題簡化為一維溫度梯度問題。對運營監(jiān)測系統(tǒng)記錄的季節(jié)溫度及溫度梯度進(jìn)行了概率統(tǒng)計分析,并擬合了它們的概率密度函數(shù);對兩者標(biāo)準(zhǔn)值引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力效應(yīng)與規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式效應(yīng)進(jìn)行了對比,進(jìn)一步將季節(jié)溫度和溫度梯度的組合效應(yīng)與設(shè)計汽車荷載效應(yīng)進(jìn)行了比較。以溫度作為輸入矢量,以模態(tài)頻率作為輸出矢量,建立了基于單截面溫度分布和多截面溫度分布的兩種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,進(jìn)行擬合及預(yù)測效果的對比分析。對同一地區(qū)的氣象溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,將氣象溫度與監(jiān)測系統(tǒng)記錄的溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行了對比。 第五,基于監(jiān)測系統(tǒng)記錄的多類別監(jiān)測信息和蒙特卡羅法,對大型剛構(gòu)-連續(xù)梁橋全壽命期間的時變可靠度進(jìn)行了定量分析。在結(jié)構(gòu)抗力方面,對28天混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計分析及K-S假設(shè)檢驗,確定了其服從的概率分布函數(shù);基于應(yīng)力時程曲線,對結(jié)構(gòu)的疲勞損傷進(jìn)行了分析,進(jìn)而對既有混凝土強(qiáng)度經(jīng)時變化模型進(jìn)行了修正。在恒載效應(yīng)方面,對應(yīng)變的實測值與理論值的相對偏差進(jìn)行了統(tǒng)計分析。在活載方面,對作用于結(jié)構(gòu)的車輛數(shù)及車重進(jìn)行了分析、假設(shè)檢驗,確定了其概率分布規(guī)律。結(jié)合溫度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果,進(jìn)行了基于監(jiān)測荷載和基于設(shè)計荷載兩種荷載模式的結(jié)構(gòu)失效概率數(shù)值模擬計算,對比分析了兩種荷載模型下的主要失效區(qū)域、失效概率大小,對失效原因進(jìn)行了闡述,并分析了可靠度的時變性。 【關(guān)鍵詞】：剛構(gòu)-連續(xù)梁橋 全壽命監(jiān)測系統(tǒng) 施工監(jiān)控 溫度效應(yīng) 時變可靠度
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：U446
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2009.061035
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-19
• 第1章 緒論19-42
• 1.1 剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的歷史、現(xiàn)狀及主要特點19-22
• 1.2 選題的背景與研究目的、意義22-28
• 1.2.1 選題背景22-23
• 1.2.2 研究的目的和意義23-28
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢28-37
• 1.3.1 國內(nèi)外橋梁全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與實踐28-31
• 1.3.2 基于全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的橋梁狀態(tài)評估與性能分析31-37
• 1.4 本文依托工程簡介37-39
• 1.5 問題的提出及本文的主要研究內(nèi)容39-42
• 1.5.1 全壽命監(jiān)測存在的主要問題39-40
• 1.5.2 本文主要研究內(nèi)容40-42
• 第2章 大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的全壽命監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計42-74
• 2.1 引言42-43
• 2.2 全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的目標(biāo)、功能要求與設(shè)計準(zhǔn)則43-44
• 2.2.1 目標(biāo)與功能要求43
• 2.2.2 全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則43-44
• 2.3 全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目與內(nèi)容44-47
• 2.3.1 施工監(jiān)控中的監(jiān)測項目與內(nèi)容44-45
• 2.3.2 荷載試驗中的監(jiān)測項目與內(nèi)容45-46
• 2.3.3 運營健康監(jiān)測中的監(jiān)測項目與內(nèi)容46-47
• 2.4 傳感器的選型及優(yōu)化布設(shè)47-58
• 2.4.1 傳感器（測量儀器）的選型47-50
• 2.4.2 測點的優(yōu)化選取50-58
• 2.5 全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計58-61
• 2.5.1 橋梁全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計及資源共享58-60
• 2.5.2 運營健康監(jiān)測光纖光柵傳感器的選取及共享60-61
• 2.6 東營黃河大橋全壽命監(jiān)測系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)集成61-72
• 2.6.1 傳感器系統(tǒng)61-62
• 2.6.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)62-66
• 2.6.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)66-71
• 2.6.4 評定與決策系統(tǒng)71-72
• 2.7 本章小結(jié)72-74
• 第3章 施工過程參數(shù)敏感性分析及模型修正74-99
• 3.1 引言74-75
• 3.2 剛構(gòu)-連續(xù)梁橋施工過程的狀態(tài)參數(shù)分析75-80
• 3.3 參數(shù)敏感性分析步驟及控制目標(biāo)的選取80-83
• 3.3.1 參數(shù)敏感性分析步驟80-82
• 3.3.2 參數(shù)敏感性分析控制目標(biāo)82-83
• 3.4 參數(shù)敏感性分析83-93
• 3.4.1 控制目標(biāo)1 下的參數(shù)敏感性分析83-85
• 3.4.2 控制目標(biāo)2 下的參數(shù)敏感性分析85-87
• 3.4.3 控制目標(biāo)3 下的參數(shù)敏感性分析87-91
• 3.4.4 控制目標(biāo)4 下的參數(shù)敏感性分析91-93
• 3.4.5 參數(shù)敏感性分析總結(jié)93
• 3.5 基于材料性能試驗的模型修正93-97
• 3.5.1 施工中材料性能試驗94-95
• 3.5.2 模型修正及其效果檢驗95-97
• 3.6 本章小結(jié)97-99
• 第4章 大跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋懸臂施工線形控制方法的比較研究99-127
• 4.1 引言99-100
• 4.2 最優(yōu)立模標(biāo)高的確定100-103
• 4.3 灰色系統(tǒng)理論方法及其在懸臂施工線形控制中的應(yīng)用103-116
• 4.3.1 灰色系統(tǒng)理論簡介103-104
• 4.3.2 數(shù)據(jù)生成及灰色系統(tǒng)GM(1,1)建模104-106
• 4.3.3 灰色系統(tǒng)建模技術(shù)改進(jìn)106-108
• 4.3.4 懸臂施工線形控制中灰色系統(tǒng)模型的建立108-109
• 4.3.5 灰色系統(tǒng)模型預(yù)測效果的比較分析109-116
• 4.4 自適應(yīng)卡爾曼濾波法在懸臂施工線形控制中的應(yīng)用116-121
• 4.4.1 基本離散線性系統(tǒng)的Kalman濾波116-118
• 4.4.2 自適應(yīng)Kalman濾波在線形控制中的應(yīng)用118-121
• 4.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的撓度預(yù)測及線形控制121-122
• 4.6 三種控制理論預(yù)測結(jié)果的比較分析122-125
• 4.7 本章小結(jié)125-127
• 第5章 大型剛構(gòu)-連續(xù)梁橋全壽命期間溫度及溫度效應(yīng)分析127-161
• 5.1 引言127-128
• 5.2 施工期溫度場實驗及分析128-136
• 5.2.1 溫度場實驗設(shè)計128-130
• 5.2.2 溫度場及其效應(yīng)分析130-136
• 5.3 運營橋梁結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律分析136-142
• 5.3.1 季節(jié)溫度測量及概率統(tǒng)計分析136-139
• 5.3.2 溫度梯度的概率統(tǒng)計分析139-142
• 5.4 運營期間溫度效應(yīng)監(jiān)測與分析142-147
• 5.4.1 溫度應(yīng)力計算及比較分析142-145
• 5.4.2 運營期間溫度應(yīng)變監(jiān)測145-147
• 5.5 溫度對模態(tài)頻率的影響分析147-155
• 5.5.1 溫度-模態(tài)頻率訓(xùn)練樣本的選取147-149
• 5.5.2 溫度-模態(tài)頻率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建立149-152
• 5.5.3 模型擬合及預(yù)測效果分析與檢驗152-155
• 5.6 氣象溫度分析155-159
• 5.6.1 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)的比較分析155-157
• 5.6.2 橋梁運營環(huán)境大氣溫度分析157-159
• 5.7 本章小結(jié)159-161
• 第6章 基于多類別監(jiān)測信息的運營橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析161-189
• 6.1 引言161-163
• 6.2 功能函數(shù)的選取及極限狀態(tài)方程的構(gòu)建163-164
• 6.3 抗力及荷載隨機(jī)變量分析164-182
• 6.3.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗力及荷載的不確定性164-165
• 6.3.2 抗力的隨機(jī)性分析165-168
• 6.3.3 基于疲勞監(jiān)測及分析的混凝土強(qiáng)度經(jīng)時模型修正168-174
• 6.3.4 恒載內(nèi)力的隨機(jī)性分析174-178
• 6.3.5 車輛荷載的隨機(jī)性分析178-182
• 6.4 結(jié)構(gòu)時變失效概率的蒙特卡羅方法求解182-187
• 6.4.1 蒙特卡羅法計算流程182-183
• 6.4.2 運營期橋梁結(jié)構(gòu)失效概率分析183-187
• 6.5 本章小結(jié)187-189
• 結(jié)論189-192
• 參考文獻(xiàn)192-204
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文204-206
• 致謝206-208
• 個人簡歷208