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大跨桥梁结构健康监测系统应用现状

2019年07月08日 浏览次数:0?
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近二十年来,我国桥梁建设取得了世人瞩目的成就,一批结构新颖、技术难度高的大跨径悬索桥、斜拉桥相继建成。

但随着跨度的增大,许多问题接踵而来,其中安全性问题尤为突出。当桥梁出现损伤,如果不及时准确的对损伤进行检测与修复,将会危及人民群众的人身安全,给国民经济造成重大损失。

因此,为了确保大跨桥梁结构的安全高效运营,我国大跨桥梁基本都设置结构健康监测系统,如江阴长江大桥、香港青马大桥、润扬长江大桥、东海大桥、杭州湾跨海大桥、舟山跨海大桥、嘉绍大桥等。

结构动态健康监测系统随着桥梁投入运营时间的推移在桥梁全寿命期内将逐步积累产生大量的监测数据和图像信息,但是如何对这些不同历史阶段采集的数据进行有效提取、处理和分析利用,获得反映大桥结构受力状态的代表性动、静力指纹,并定期对结构的运营安全进行评估,已逐渐成为桥梁工程领域的研究热点。

 

1 、健康监测系统应用研究的重要性

桥梁健康监测是由传统的桥梁检测衍生出来的主要针对大型桥梁的一种管理方法,目的是通过测量反映大桥环境激励和结构响应状态的信息,实时监测大桥的工作性能和评价大桥的工作条件。

通过对桥梁所处环境及其响应的实时监测,分析桥梁的损伤情况,给出桥梁的状态评估和剩余寿命预测,并能在特殊气候、交通或其他情况下触发预警信号,为桥梁的养护、维修及管理决策提供依据。桥梁健康监测系统分析应用研究的重要性主要体现在评估与预警、设计验证和可持续发展三个方面。

评估与预警是指通过各种结构允许的测试手段,测试出能够反映结构当前工作状态的内部信息,并在此基础上运用结构状态评估理论,对构件以及结构整体的施工、运营等工作状态进行评估,以确定结构的安全性和耐久性,并对损伤进行预警。

设计验证是指大型桥梁在设计时一般依赖于理论分析和实验室室内试验,理论分析常根据理想的有限元模型和基本假定,而实验室室内试验则不可能与大桥所处的真实环境完全相符,因此通过桥梁健康监测所获得环境参数及大桥响应可以用来验证大桥的理论模型与计算假定,并修正和完善桥梁结构现有的设计理论与规范。

桥梁健康监测系统另一个重要作用体现在大型桥梁设计年限一般较长,在服务期内或多或少面临着荷载等级的变化,通过对监测系统所获数据开展分析,可以为今后荷载等级提升提供依据。

大型桥梁健康监测系统应用现状分析

目前,在利用桥梁健康监测系统所获海量数据开展有效分析方面,研究成果比较系统丰富的主要有香港青马大桥和润扬长江大桥。

香港青马大桥

以健康监测系统所获海量数据为研究对象,徐幼麟等学者从原始数据的梳理、筛选和分析,到结构有限元模型的建立,再到针对特殊事件( 如台风、大风天气等) 下结构受力性能的分析评估,开展大量研究工作,取得了一系列研究成果。

(1) 初始有限元模型建立

青马大桥建模时将整个结构划分为四大部分:钢主梁、桥墩和桥塔、缆索系统和衔接构件、整体结构。单元类型根据构件受力行为和特点进行选取,并根据研究目的不同采用针对性的有限元模型,如三维空间杆系有限元模型、全三维混和有限元模型、部分三维多尺度有限元模型以及部分三维实体有限元模型等。

(2) 有限元模型分析方法

主要有精细化计算方法和工程计算方法。精细化计算方法主要采用模态叠加法考虑风- 车- 桥耦合作用进行精确有限元分析,但是该方法计算效率较差; 工程计算方法采用影响线加载单独考虑每种荷载的作用,再进行线性叠加,该方法在满足工程精度要求基础上能大幅提高计算效率。

(3) 疲劳状态评估方面

明确了疲劳分析的具体步骤,首先对青马大桥整体结构进行有限元分析,明确易产生疲劳的构件及其应力分布情况; 其次通过局部应力分析以确定热点处的应力集中系数; 接着确定关键位置处的应力范围和平均应力; 最后通过裂缝初始阶段的疲劳损伤分析或裂缝发展期的裂缝发展分析确定疲劳损伤的状态和结构剩余使用寿命。

润杨长江大桥

李爱群教授及其科研团队以润扬长江大桥健康监测海量数据为主要研究对象,重点解决大跨斜拉、悬索桥梁健康监测海量数据处理分析与评估各项关键技术,形成了系统的桥梁健康监测海量数据

分析和评估理论、方法和技术体系。

(1) 外荷载监测数据分析技术

主要针对润扬大桥斜拉桥和悬索桥钢箱梁温度场数据、日常风监测数据和多次台风监测数据进行研究,建立钢箱梁横截面的全寿命温度场和模拟润扬悬索桥桥址区的三维脉动风场。

(2) 结构有限元模型建立和修正关键技术

悬索桥模型分为六大部分: 主梁结构、主塔结构、主缆系统、吊杆系统、中央扣结构和边界连接条件; 斜拉桥模型分为四大部分: 索塔、斜拉索、主梁结构以及边界条件。面向不同的研究目标,采用3种不同精度模型( 脊骨梁模型、壳单元常规模型以及精细壳单元模型) 进行模拟。

对于悬索桥有限元模型的修正,首先利用裸塔的现场模态测试信息对索塔的有限元模型进行3个阶段的修正: 模型阶次误差修正( 单元数确定方法)、模型结构误差修正( 节点刚域模拟方法) 和模型参数误差修正( 构件材料和截面特性参数修正方法)。其次在修正后的桥塔模型基础上,采用优化算法,并结合竣工实验中主梁动力和静力信息,对全桥有限元模型进行修正。

(3) 基于监测数据的结构模态识别技术

采用最大熵谱分析代替传统功率谱分析识别结构模态频率,该方法能显著地改善传统功率谱法对于非平稳振动响应频率分辨率低、识别精度差等问题。

(4) 基于监测数据的钢箱梁疲劳损伤评估技术

以应变监测数据为基础,研究钢箱梁焊接细节的疲劳效应与温度和车辆增长的相关性,采用统计分析技术建立焊接细节疲劳荷载效应的概率模型,在此基础上采用S-N曲线和Miner 线性损伤累积理论建立钢箱梁焊接细节疲劳可靠度的评估方法,采用Miner 线性损伤累积理论和线弹性断裂力学理论建立焊缝疲劳损伤评估技术,并根据Palmgren-Miner 准则和双线性概率S - N 曲线( S 代表应力幅,N 代表寿命) 对焊接细节开展疲劳寿命评估。

(5) 基于梁端位移监测数据的伸缩缝健康状态评价技术

采用梁端位移的变化规律表征桥梁伸缩缝的健康状态,基于温度、车辆荷载以及主梁梁端位移的健康监测数据,研究主梁梁端位移与温度、车辆荷载的相关性特征,用“环境条件归一化”方法消除温度、车辆荷载的影响,最后采用均值控制图方法识别伸缩缝位移的异常变化。

其它大桥

除上述先容的香港青马大桥和润扬长江大桥外,不少学者针对其他一些大桥的健康监测系统开展结构桥梁评估方面的研究。如滨州黄河公路大桥、香港KapShulMun 桥、永和大桥、南京长江大桥等。

在有限元模型建立方面,各学者所采用的方法基本与青马大桥、润扬长江大桥类似。在有限元模型修正方面,基本思路为通过对监测信息的处理,得到结构的频率、振型等参数变化,再综合利用监测得到的结构参数变化信息对结构的有限元模型进行修正,最终得到反映结构的真实状况的有限元模型。

修正方法一般采用直接矩阵元素修改法和参数修改的灵敏度分析法。前者采用直接修改刚度矩阵或者质量矩阵的方式来使得有限元模态分析的特征值与结构实测频率一致,后者主要依靠修改有限元模型的材料常数等参数来减小实测模态频率、模态振型与计算值的误差。

在众多研究中,值得一提的是: 滨州黄河公路大桥利用实测频率修正模型过程,修正模型采用构造原始频率函数的逼近函数,考虑大变形和初始应力状态的模态分析,基于遗传算法的参数优化算法的方法进行。

永和大桥基于灵敏度分析的有限元模型修正算法研究,在直接搜索算法的基础上改进为自适应模式搜索算法进行模型修正,利用在迭代过程中获得的函数值信息在迭代的过程中不断修正搜索模式,使得优化过程获得更快的收敛速度且收敛性更有所保证。

在基于监测数据的结构模态识别技术方面,主要方法为频域法、时域法以及综合两者的其它一些方法。时域法里最为成熟的是特征系统实现法( ERA) 和随机子空间法( SSI)。前者由于需要系统的输入信息,所以应用于环境激励的情况时,还需要结合随机减量技术或者NEXT 法使用。

频域法里最为常用的是峰值点拾取法。在基于监测数据的钢箱梁疲劳损伤评估技术方面,大多采用构造细部的S - N 曲线,按照Miner法则计算构造细部的疲劳寿命,如江阴大桥正交异性钢桥面板各构造细部疲劳评估,芜湖长江大桥的预估疲劳寿命等。

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