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原文传递基于区域分布传感的中小跨梁桥损伤与荷载识别方法研究

论文题名：	基于区域分布传感的中小跨梁桥损伤与荷载识别方法研究
关键词：	区域分布传感;中小跨梁桥;损伤识别;荷载识别;数值模拟
摘要：	近年来，随着我国经济的快速发展，交通运输业蓬勃发展，2020年末我国高速公路里程已达16.10万公里。桥梁是构成高速公路路网的必要因素，在我国桥梁的构成中，中小跨桥梁占比超85%。但由于养护频率低、缺乏健康监测系统等原因，其中不少已经暴露出不同程度的缺陷，需要进行及时的检修和加固。　　移动荷载识别和结构损伤识别是桥梁健康监测领域的两个重要内容，在桥梁服役过程中，未知损伤和未知荷载会共同影响桥梁的劣化。本文结合具有“整体”和“局部”特性的区域分布传感技术，从桥梁损伤识别、随机车流参数识别、损伤与荷载同时识别三个方向上，研究了中小跨梁桥的健康监测方法，本文的研究内容及成果如下：　　（1）提出了基于区域分布传感和分形维数理论的桥梁损伤快速评估方法　　以简支梁桥为研究对象，通过车辆荷载下长标距应变传感器记录的应变时程响应来计算分形维数曲线，并对分形维数曲线进行归一化，以消除车辆参数的影响。通过对比损伤前后归一化分形维数曲线的变化定位桥梁损伤。采用数值模拟和室内试验验证了所提方法的有效性，结果表明，本文所提指标对结构损伤敏感，对车辆参数不敏感，并且在结构出现多个损伤时依然有效。　　（2）提出了基于区域分布传感的无参考桥梁损伤识别方法　　以连续梁桥为研究对象，推导了车辆荷载下连续梁的应变时程方程，分离出连续梁应变时程积分曲线与标段编号的关系，通过曲线一阶差分异常点定位桥梁损伤，通过车辆荷载下已损伤桥梁的应变时程积分与损伤程度的关系实现损伤定量，并通过室内试验和数值模拟进行验证。室内试验结果表明，该方法在变化的车辆参数下依然有效，并且当多个损伤分别出现在桥梁不同跨度时，也可以实现桥梁结构损伤定位，损伤定量结果受实验误差的影响，误差达50%，识别精度会随损伤程度增加。数值模拟结果表明，该方法对路面粗糙度及环境噪声不敏感，并且可用于多跨连续梁桥的损伤定位定量，定量误差小于10%。　　（3）提出了基于区域分布传感的桥上随机车流参数识别方法　　通过标定车辆来标定桥梁实际应变影响线，采用三个相邻传感器的应变二阶差分曲线峰值大小来判断车辆行驶方向及车轴所在车道，并计算车辆轴距、车速、车间距。然后结合标定的应变二阶差分曲线影响线，计算车辆轴重参数。该方法可实现随机车流中各个车辆的行驶方向、车道、车轴距、车间距、车速、车轴重等参数识别。建立了三维车桥耦合模型，在变化的路面粗糙度、车辆加速度和车辆数量下，验证了该方法的精度和有效性，车辆参数识别误差均小于10%。但在实际工程中，由于传感器标距长度过大会导致30%左右的车轴重量识别误差，需要采用较短标距的传感器来提高车轴识别精度。并且车辆行驶横向位置是影响车流参数识别精度的重要因素，车辆横向位置的偏差会导致50%以上的车辆重量识别误差。室内试验结果与数值模拟结果吻合。此外，还验证了该方法在双向车流下的识别效果。　　（4）提出了桥梁损伤与动态荷载同时识别方法　　采用桥梁动力学方程建立目标函数，将桥梁损伤和车辆参数作为待求解参数，将桥梁损伤定位纳入车桥参数识别的迭代参数优化过程中，减少未知的损伤参数。通过分层贝叶斯推理，在考虑多车情况下，实现同时识别车辆轴距、车辆间距、车轴动荷载、桥梁损伤位置、桥梁损伤程度等车桥参数。并建立了车桥耦合模型，在不同噪声、不同路面粗糙度、不同损伤位置、变化损伤程度的情况下，验证了该方法的识别效果。车桥参数识别误差小于5%，且不受噪声、路面粗糙度、损伤位置、变化的损伤程度的影响；而噪声、路面粗糙度会降低动态车轴荷载的识别精度，但不受损伤位置、变化的损伤程度的影响。
作者：	张璐
专业：	土木工程;结构工程
导师：	吴智深;吴刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022