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原文传递基于监测信息统计分析的桥梁结构安全评价研究

论文题名：	基于监测信息统计分析的桥梁结构安全评价研究
关键词：	桥梁结构;安全评价;桥梁安全;小波分析;相移回归分析
摘要：	桥梁结构在服役期间受到各种因素的影响，其可靠性的不断下降会导致安全隐患的产生，并可能由此使生命财产遭受重大损失。因此桥梁结构的安全问题一直都被学术界和工程界高度重视。由于人工检查和荷载测试等传统方法需长时间中断交通，而且检测周期过长，无法发现两次检测间隔内结构的任何问题，已远不能适应桥梁的高速发展形势，因此结合信息技术和力学理论的桥梁结构健康监测技术越来越受到关注和重视并取得了一些进展。然而，作为结构健康监测核心之一的安全评价，却仍然沿用传统的方法，过分依赖于精确的结构模型和确定的激励。在实际应用中，旧桥资料的严重缺失和桥梁结构参数的不断变化使得精确模型的建立十分困难，加上随机环境激励的未知性，使得基于模型的安全评价难以取得令人满意的效果。鉴于桥梁结构健康监测系统采集了大量蕴涵结构损伤特征信息的结构响应历史数据，有人对不依赖结构模型的评价方法进行了探索，试图通过对结构响应的历史数据进行统计分析，挖掘出结构安全信息和结构性能的演变规律，从而完成桥梁结构的安全评价。这种基于统计分析的评价方法避免了建立精确结构模型的巨大困难，具有广泛的通用性，但它尚处于研究初期，还未取得突破性进展。因此对它进行深入研究，建立相应的结构安全评价体系，无疑具有重大的社会价值以及现实意义。基于此，本文结合国家科技攻关计划引导项目(2002BA105C)，从统计分析的角度出发，结合力学理论，提出了无需结构模型的桥梁结构安全评价体系并从理论上阐明了它的应用原理；基于小波多尺度分析理论和相移回归分析，从桥梁结构健康监测信息中提取了反映结构安全状况的活载效应和劣化效应信息；在此基础上研究了基于EWMA控制图和统计指标的桥梁结构安全评价方法，并采用以D-S证据理论为核心的信息融合技术实现桥梁结构安全的综合评价；最后开发相应的评价软件并进行了实桥应用。具体内容如下： (1)以混凝土斜拉桥和连续刚构桥为代表，通过对不同梁型结构的力学性能和温度效应进行深入分析，根据结构累积损伤和劣化效应发展的逐渐性、单向性，将反映结构安全状况的劣化效应和活载效应的历史监测信息抽象为统计过程，以评价量出现不可恢复的单向变化趋势为结构的“不安全”特征，提出了一种不依赖结构精确模型的通用桥梁结构安全评价方法，并从理论上阐明了它的力学基础和统计原理。 (2)针对桥梁结构劣化效应和活载效应的不同时间尺度的特点，以小波多尺度分析为手段，将桥梁结构响应的历史信息分离为瞬变信息(活载效应)和缓变信息；然后，根据温度效应与温度的相关性，建立了相位差为半个日周期的温度效应的回归方程，剔除了缓变信息中的温度效应。从而在复杂的历史数据中提取了反映桥梁结构安全状况的活载效应和劣化效应等评价量信息。 (3)根据结构劣化效应和活载效应历史信息的统计特点，在详尽分析了各种控制图性能的基础上，将桥梁结构可靠度理论与EWMA控制图方法相结合，设置了安全评价的初级预警控制限和安全告警控制限，根据统计量在两级控制限内外的分布来判断桥梁结构的安全情况。为进一步减小控制图评价的虚警率和漏警率，以统计分析技术为手段，利用相对幅度指标WRI和相对强度指标RSI反映评价变量在某一周期内的单向变化程度并进行安全评价。在此基础上，针对桥梁结构安全评价的复杂性和测量信息的不确定性，根据EWMA控制图和统计指标的初步评价结果，构造了融合证据的基本概率分布，并基于D-S证据理论，用改进的融合方法进行融合，通过综合评价来进一步提高桥梁结构安全评价的确定性。最后，以重庆马桑溪长江大桥健康监测系统为实例，针对本文的安全评价方法开发了相应的评价软件并进行了实际应用。结果表明：通过小波分析和相移回归分析，可从桥梁结构响应的历史数据中有效提取反映桥梁结构安全状况的活载效应和劣化效应信息；利用EWMA控制图结合结构可靠度理论，通过对活载效应和劣化效应信息的统计分析，可有效进行桥梁结构安全的初步评价，并可用相对幅度指标WRI及相对强度指标RSI降低其虚警率和漏警率；基于D-S证据理论，通过对各初步评价结果进行信息融合，进一步提高了安全评价的有效性和确定性，获得桥梁结构安全的综合评价情况。从而克服了基于模型进行评价的巨大缺陷。
作者：	梁宗保
专业：	光学工程
导师：	陈伟民
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文