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原文传递监测数据驱动的大跨径桥梁支座性能异常预警方法研究

论文题名：	监测数据驱动的大跨径桥梁支座性能异常预警方法研究
关键词：	大跨桥梁;桥梁支座;性能异常;监测数据;损伤预警
摘要：	大跨径桥梁支座病害频发，如支座位移超限、滑动支座滑板剥离、磨损以及抗拉支座拉力摆断裂，使用寿命短，维护费用高，损坏后严重影响桥梁结构安全。利用桥梁健康监测系统获取的海量监测数据对大跨径桥梁支座的性能异常进行有效预警，对确保桥梁的运营安全具有重要的工程意义。本文以大跨径桥梁支座为研究对象，针对数据驱动的支座性能异常预警中四个研究不足:支座静位移预测模型误差大、缺少监测滑动支座滑动摩擦力变化的方法、监测得到的支座累积滑动位移不够准确、缺少抗拉支座拉力摆损伤的监测方法，开展了相应的研究，具体的内容和结果如下: 　　(1)构建了时变温度场-支座静位移关系模型，基于模型的预测误差建立了支座静位移超限预警方法。支座静位移的异常或超限反映桥梁整体结构性能的退化。现有的温度-位移线性模型未充分考虑时变非均匀温度场对模型误差的影响，较大的预测误差会掩盖结构性能退化所引起的静位移异常量。为此，以传统温度-位移线性模型为基础，研究了主梁非均匀温度场与支座静位移的关系，构建了时变温度场-支座静位移关系模型，利用模型的预测误差，针对支座静位移的异常变化和超出设计极限两种情况建立了预警方法，根据预警率的不同组合提出了分级预警，给出了预警的实施方法。案例分析表明:所提时变温度场-支座静位移模型有着更高的预测精度;支座静位移预测模型的误差越大，支座在各工况下对应的预警等级越高。　　(2)构建了滑动支座滑动摩擦力表征模型，基于此建立了滑动摩擦力异常预警方法。滑动支座的滑动摩擦力增大意味着支座发生滑板剥离和磨损等病害，影响桥梁结构安全，但目前缺少大跨径桥梁滑动支座滑动摩擦力异常增大的有效预警方法。因此，研究了支座滑动摩擦力对由温度引起的支座静位移的影响，构建了主梁温度-支座位移滞回关系模型，提出了滑动摩擦力监测指标，利用累积和控制图进行支座滑动摩擦力异常预警，给出了预警的实施方法。案例分析表明:所提温度-位移滞回模型能够反映支座滑动摩擦力，该滑动摩擦力预警方法可以有效地预警支座滑动摩擦力的异常增加。　　(3)提出了转致位移模态叠加法的累积滑动位移估计方法，建立了基于滑板剩余厚度的滑动支座滑板磨损预警方法。滑动支座严重磨损后若不及时更换，将导致支座滑动故障。而相关监测研究未充分考虑相对高频的动位移累积量对支座磨损的影响，会大大低估支座滑板磨损情况。为此，分析了主梁变形引起的支座滑动位移，研究了动力荷载作用下的各滑动位移分量之间的关系，利用转致位移的模态叠加，提出了支座累积滑动位移估计方法，通过累积滑动位移对滑板剩余厚度进行估计，建立了滑动支座滑板磨损预警方法。案例分析表明:所提支座累积滑动位移估计方法具有可接受的精度和良好的鲁棒性，弥补了低频位移数据在计算累积滑动位移方面的不足;所提预警方法能够有效预警滑动支座的滑板磨损。　　(4)针对斜拉桥拉力摆（抗拉支座）损伤提出了基于竖向位移比的和基于竖弯频率变化的预警方法。斜拉桥拉力摆的失效会直接导致桥梁结构体系发生变化，严重威胁桥梁安全性。然而，目前缺少对抗拉支座拉力摆损伤进行预警的研究。因此，①通过引入拉力摆面积折减因子并消除车重对位移指标的影响，提出了基于支座竖向位移比的拉力摆损伤预警方法，分析了不同损伤工况下以及车辆在不同车道时预警指标的变化模式。结果表明:车辆通过桥梁最外侧车道时获得的预警指标有最佳的预警效果。②推导了斜拉桥竖弯频率对拉力摆面积折减的灵敏度，分析了拉力摆损伤能够被频率指标预警的工况，提出了基于竖弯频率变化的拉力摆损伤预警方法，进行了有限元模拟和实桥案例分析，结果表明:拉力摆损伤引起的实测竖弯频率变化有大幅波动、极小值逐渐下降且降幅显著的特点，基于竖弯频率变化的拉力摆损伤预警方法是可行的。
作者：	毋光明
专业：	结构工程
导师：	伊廷华
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2020