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原文传递桥梁结构智能感知传感器优化配置研究

论文题名：	桥梁结构智能感知传感器优化配置研究
关键词：	桥梁结构;有效独立法;粒子群算法;传感器优化布置;损伤识别
摘要：	桥梁结构是交通安全的基本保障，且在我国经济发展与基础建设中占有重要地位。然而桥梁结构一旦发生安全事故，将造成重大人员伤亡和巨大经济损失，因此建立健康监测系统对桥梁状态信息进行评估以避免安全事故的发生势在必行，而监测系统最基本的环节便是解决传感器的优化配置问题。所谓传感器优化配置即如何用有限数量的传感器，配置在结构的最佳位置，使得所布置的测点获得尽可能多的结构模态信息。因此，本文选用三跨连续梁、提篮拱桥及简支梁桥这三种典型的桥梁结构形式，研究了候选测点的选取、模态阶数的选择、传感器数量的确定以及测点位置优化的问题，主要做了以下工作：　　（1）对三种常见的传感器优化布置准则：识别误差最小准则、模态置信度准则及模态动能准则进行介绍，阐述了其原理及相关计算公式，并分别从中建立了传感器优化的目标函数。　　（2）对有效独立法（EI）和粒子群算法进行详细介绍，分析了其原理、优缺点、实现过程及改进方式，并选取有效独立法（EI）、有效独立—模态动能法（EI-MKE）、有效独立—驱动点留数法（EI-DPR）及带惯性权重的改进粒子群算法作为本文的优化算法。　　（3）研究了传感器优化布置问题中的模态阶数的选取及传感器数目的确定问题，采用Fisher信息矩阵2-范数进行了结构的目标模态数目选取，并利用MAC优化准则，通过绘制MAC矩阵最大非对角元素的方法确定结构所需布设的传感器数目，分别确定了（48+80+48m）三跨连续梁加速度传感器、提篮拱桥加速度传感器及拱肋应变传感器的目标模态阶数为34阶、21阶及6阶，所需传感器数目为24个、14个及7个。　　（4）分别采用EI、EI-MKE、EI-DPR及改进的粒子群算法进行了三跨连续梁桥桥面加速度传感器的优化布置，通过对比发现改进的粒子群算法所得24个传感器布置位置的MAC矩阵非对角线元素最大值最小，且测点布置位置的对称性更加优良。　　（5）将改进粒子群算法应用于提篮拱桥桥面加速度传感器及拱肋应变传感器的布置中。对于应变传感器的布置，将位移模态通过差分的方式得到曲率模态并重新定义了适应度函数，实现了应变传感器位置的优化，且优化测点位置与静力分析所得关键位置基本一致。　　（6）通过一试验钢筋混凝土简支梁来验证改进粒子群算法所得位置的有效性。首先基于简支梁有限元模型中的4阶竖向位移模态，利用改进粒子群算法得到4个传感器的布置位置，而后通过人为制造损伤条件对比损伤前后传感器位置的变化情况，发现利用损伤前的模态信息得到优化位置在损伤发生后并未发生改变，优化测点位置对所设损伤工况具有较好的鲁棒性。最后将所得测点位置布置于试验梁上，基于传感器所测数据进行损伤识别，发现曲率对损伤的敏感性要优于振型。
作者：	王坚强
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	王起才
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022