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原文传递桥梁结构的数字孪生方法及其在状态检测与性能评估中的应用研究

论文题名：	桥梁结构的数字孪生方法及其在状态检测与性能评估中的应用研究
关键词：	公路桥梁;状态监测;评估体系;数字孪生;参数化建模
摘要：	截止到2020年末，我国公路桥梁达到了91.28万座，大量的早期建成桥梁已经进入性能快速衰退期，导致桥梁事故频发。随着我国经济的进一步发展，可以预见，我国将在相当长的一段时间内处于海量桥梁建设与管养并存阶段，同时兼顾如此庞大体量的桥梁建设和管养面临巨大的技术和经济挑战。因此，发展信息化与智能化技术促进桥梁建设、管理效率和水平成为大势所趋，并已纳入交通运输部发展规划纲要。桥梁状态监测、检测与性能评估是及时发现桥梁病害并做出正确处理决策的主要技术手段，检测与评估的及时性、可靠性关系到了人民群众的生命财产安全。而目前的检测与评估方法人工依赖性强、可靠性不足、信息化与智能化程度低，仍然存在诸多行业难题在理论与技术层面未得到解决，难以满足未来海量桥梁监管在安全、效率、成本方面的要求。针对当前桥梁检测与评估面临的痛点，并结合未来行业发展趋势，本文引入数字孪生这一理念，研究采用全息扫描、摄影测量等数字化现实捕捉技术，构建与实桥一致的孪生模型。基于新的数字孪生数据类型与数字信息技术，发展了多项新的桥梁检测、评估理论与方法。本文的主要研究内容及成果如下：　　（1）提出了桥梁数字孪生的一般定义、特点、数据特征及合理的基础数据模型，并开展了桥梁数字孪生基础数据模型构建关键技术研究。开发了桥梁点云的精确配准方法与算法，可使点云的拼接精度达到亚毫米级；在点云环境中，开发了适用于典型桥梁构件的参数自动化提取算法，解决了实桥的参数化驱动建模问题；基于摄影测量理论，开发了二维图像中表观损伤到三维模型的直接映射算法，解决了裂缝等桥梁病害的精确建模问题。　　（2）提出了桥梁力学孪生模型反演方法。该方法是以高保真的几何孪生模型和表观损伤孪生模型作为受力分析的输入源，以精确的空间连续几何形态及空间连续变形模式作为约束条件对受力分析模型进行修正和迭代反演；开发了基于全息扫描的空间连续变形模式计算方法，实验结果表明该方法具有0.1毫米的实桥测量精度；设计一座缩尺的混凝土拱桥验证了所提出的力学孪生模型反演方法的可靠性。　　（3）提出了基于实桥孪生模型的构件级精细化表观损伤智能巡检方法。开发了立体桥梁的无人机摄影测量可靠建模策略，并结合地面激光扫描点云实现了桥梁三维立体孪生几何模型的准确构建；针对典型的桥梁构件类型，开发了普适性的构件级精细巡检立体航线规划算法；以大疆无人机为载体，开发了无人机巡检任务生成算法；在一座大型立交桥中验证了所提出巡检方法的可靠性。　　（4）提出了节段拼装桥梁数字化预拼装检测与控制方法。以钢管拱桥为例，开发了点云环境中预制钢管拱预制节段的精确逆向建模参数提取算法，实现扫描模型到三维有限元模型的协同；开发了可以准确考虑螺栓强制装配过程中内力重分布的拼装模拟方法，实现预制构件虚拟拼装过程中力学状态预测；对包含制造误差的预制构件，基于无应力状态法思想，提出了预制构件无应力参数的最优修正计算方法；对包含制造误差的钢管拱肋成拱过程，提出全过程索力优化计算模型，同时解决了全过程一次调索求解问题；所提出的成套数字化预拼装检测与控制方法在一座跨径为507米的钢管拱桥中得到了验证。　　（5）提出了基于孪生索形的斜拉索索力计算理论与实现方法。以悬链线方程建立实测索形与索力间非线性回归参数估计模型，给出了索力迭代解法的计算公式；基于全息扫描点云数据，开发了拉索点云的自动化分割、索形提取算法，实桥实验表明，相比较于频率法，扫描索形测量方法效率提升了8倍；详细分析了索形误差因素及其对索力计算精度的影响，结果表明，索形法不受拉索长度、边界条件、截面刚度及局部噪声的影响。　　（6）提出了基于主缆孪生索形的既有悬索桥内力状态反演理论与实现方法。建立了基于实测主缆交点的悬索桥吊杆力的计算理论，两座实桥实验验证了该理论的正确性；开发了自动化的算法用于在扫描点云中快速计算主缆交点坐标；在主缆孪生索形基础上，提出了基于影响矩阵法的悬索桥内力状态反演方法，一个室内实验和一个实桥实验验证了该反演方法的可靠性。
作者：	周银
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	向中富
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2021