基于健康监测系统的大跨度多荷载悬索桥的疲劳与可靠度评估(英文)

在过去的几十年,世界各地建立了许多大跨度悬索桥。通常这些桥梁需承受多种动力荷载,尤其是一些处于多台风地区的公铁两用桥梁。为了保证这些大跨悬索钢桥在运营期内的安全和正常使用,有必要以一定的时间间隔进行桥梁的疲劳和可靠度评估。有鉴于此,许多大跨悬索桥都安装了健康监测系统,但是如何运用其进行准确的疲劳评估仍然是一个问题。本文通过结合计算机模拟技术和健康监测系统的测量数据,以香港青马大桥为例,分析了在多荷载作用下的大跨度悬索桥的疲劳和可靠度。同时,作为利用结构健康监测技术进行结构健康状态评估的这一重要研究方向的有益实践,该研究发展了一系列方法用于评估桥梁的疲劳,以及通过考虑存在于结构的物理模型和计算机模拟中的不确定性用以评估疲劳的可靠度。     

大跨空间结构抗震理论发展综述

大跨空间结构由于其体量大且多作为人流密集的公共场所,因而在各种非常规荷载作用下破坏将造成更大的经济损失、人员伤亡和社会影响。系统的从以下3个方面总结了近年来大跨空间结构抗震理论所取得的主要进展:(1)大跨空间结构精细化的抗震性能评估理论,主要包括材料本构模型、地震动多点输入和结构强非线性模拟;(2)大跨空间结构抗震性能提升与修复技术,主要包括结构减震技术和隔震技术的研究与应用;(3)大跨空间结构抗震设计理论与方法,主要包括基于性态的设计方法和功能可恢复性的抗震设计方法。通过以上部分的系统总结和论述,形成大跨空间结构统一的抗震设计指导思想,并对此类结构的抗震研究的发展趋势和方向进行展望,从而为大跨空间结构设计、施工和监测提供借鉴。     

桥梁结构动态位移监测的误差修正

本文针对压力场连通管桥梁位移监测系统动态效应问题,根据连通管的基本原理,基于结构动力学理论,考虑结构振动对连通管内液体压强的影响,将结构振动引起的位移动态效应作为测量误差,建立了连通管动态压强理论计算公式,以及桥梁结构动态位移的误差修正计算公式,并进行了模型试验.理论计算值与试验值吻合较好,验证了理论公式的正确性.参数分析及2座背景桥梁计算显示,桥梁结构动态位移监测的误差修正量,与管道纵向布置倾角呈正相关关系,随测点至管道最高点加速度分布的总量增大而线性增大.研究结果对于提高桥梁健康监测系统动态挠度测量精度,准确评估桥梁结构工作性能,具有重要的意义.     

龙江特大桥场地强震动观测系统设计

主跨1196 m的龙江特大桥是我国第一座位于高烈度地震区的大跨度悬索桥,频繁的地震活动对大桥结构安全构成严重威胁。大桥建设时建立了健康监测系统,其中包含多个结构地震反应观测点,随后布设了场地强震动观测系统,这是对大桥地震响应观测的进一步补充和完善。本文详细介绍场地强震动观测系统的设计方案、系统构成、通信方式等。该系统获取的观测结果,可为龙江大桥在地震作用下结构健康诊断提供依据,为大桥结构地震响应分析提供可靠的地震动输入,有助于了解大桥结构在地震动作用下的反应特征,提高大跨桥梁的抗震设计水平。     

基础隔震结构健康监测系统的设计与实现(Ⅰ):系统设计

在医院、教学楼等建筑中广泛采用隔震技术,能降低地震对上部结构的破坏作用。虽然隔震技术经过几十年的发展已趋于成熟,但环境及其他荷载对隔震结构性能的影响规律、结构设计的合理性以及震后结构状态评估等问题,仍需建立隔震结构健康监测系统对施工、运营期的结构响应进行监测,并对其进行评估与验证。首先,针对基础隔震结构的特点,研究了基础隔震结构的主要监测内容;在此基础上提出基础隔震结构健康监测系统的总体设计要求及原则,根据不同监测对象(整体与局部监测量)给出基础隔震结构传感器布置原则和数据采集系统软硬件设计原则,提出基础隔震结构设计验证与安全评定方法;最后给出基础隔震结构健康监测值得进一步研究的问题。     

佛开高速九江大桥振动监测数据初步分析

佛开高速九江大桥全长1819.16m,主桥采用六孔一联、最大跨度160m的变截面预应力砼连续箱梁。为实时监测桥梁结构振动状况和记录大型桥梁真实地震反应,在九江大桥主桥上架设了总计23通道的强震动监测系统。简要介绍了该监测系统的测点布置、系统构成和技术特点,并对系统试运行期间的加速度记录进行了峰值、频谱和模态分析,得到了箱梁前六阶模态频率变化曲线,并与现场实测模态参数进行了比较验证。研究识别出的模态频率的长期变化可以为桥梁结构的健康监测和损伤评估提供参考依据。     

结构健康监测系统设计标准化评述与展望

阐述了结构健康监测的概念和内涵。详细介绍了结构健康监测系统的功能、组成和应用现状。结构健康监测系统设计标准化能够促进健康监测的应用和发展,具有重要的工程意义。对世界范围内相关研究进展进行了综述和评价。强调在我国建立监测系统设计标准的重要性,并提出了相应的说明和建议。设计标准可以分为总则、外观检查与无损检测、传感器的选择与布置、信息采集与处理系统、通信与传输系统、损伤识别和评估系统、应用实例等7部分。结构健康监测系统设计标准的实现将有力地推动健康监测的研究。     

北京南口跨断层流动水准场地监测与布设初探

北京南口跨断层流动水准监测场地布设于南口—山前断裂与南口—孙河断裂交汇处。运用前人地质构造研究成果、监测资料和野外地质考察资料等,研究了南口跨断层流动水准场地监测和布设状况、结果表明:(1)监测场地存在未跨断裂测线;(2)4号测点不为基岩点且可能在断裂带内;(3)测线巨大突变异常是大量降雨所致,不为前兆异常或断裂活动。     

大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统研究

大型桥梁地震安全性在线监测与评估系统包括四个方面的技术内容:1基于B/S架构的桥梁强震观测台阵实时监测技术;2基于多指标信息融合技术的桥梁安全评估方法;3快速桥梁数值仿真技术和抗震性能评估;4桥梁监测与评估系统集成与可视化系统。该系统实现了桥梁强震监测数据实时采集、传输、分析、诊断、仿真和评估一体化。平时不间断地分析诊断桥梁与初始或完好状态动力特性的差异,为桥梁养护和加固提供参考依据;发生船撞或地震时,快速评估事件后桥梁的安全状态,并对异常进行警报,给桥梁管理方提供破坏事件的强度信息。     

大跨度斜拉桥在随机地震激励下的动力可靠性分析

以随机振动理论为基础,以苏通长江公路大桥为背景,对超大跨度斜拉桥在随机地震荷载作用下的动力可靠度展开研究。根据结构随机振动分析得到的响应统计量,采用结构可靠度分析的JC法(一次二阶矩法)和首次超越破坏理论,分析苏通大桥主梁关键截面上正应力的动力可靠度,并评价结构的抗震性能,分析结果证明该结构可靠性满足桥梁抗震需求。计算结果可为大跨度斜拉桥抗震可靠性分析提供参考。     

苏通大桥结构健康状态评估技术研究与应用（2）：主梁损伤预警

为了建立＂环境因素归一化＂的苏通大桥主梁损伤预警方法,本文对苏通大桥主梁240天的小波包能量谱与温度实测数据进行了季节相关性研究。分析结果表明,苏通大桥主梁的小波包能量谱与温度具有明显的季节相关性,其特征频带能量比的日平均值,随着温度的季节变化在一年中可以发生平均约200%的变化。在此基础上,采用6次多项式模型对小波包能量谱—温度进行了统计建模,并采用均值控制图法对特征频带能量比的异常变化进行了统计模式识别。结果表明,运用本文方法可以有效地消除温度的季节变化对斜拉桥实测小波包能量谱的影响,较好地识别出结构损伤引起的特征频带能量比10%的异常变化,适合于苏通大桥主梁的实时在线监测。     

地震动空间变异性对千米级斜拉桥结构随机地震反应的影响

基于随机振动理论,以苏通长江公路大桥为背景,对超大跨度斜拉桥在随机地震荷载作用下的动力响应展开研究,详细分析地震动空间变化特性对千米级斜拉桥结构动力响应的影响.研究结果表明:相干效应对主梁纵向弯矩影响比较大,尤其是中跨部位;而局部场地效应相对影响较小.对于主梁轴力而言,行波效应影响较为显著,主梁轴力的最大值增大约70%之多,但对竖向剪力并无突出影响.与一致激励比较,行波效应使得跨中竖向位移均方根增大约74%,相干效应为60%,而局部场地效应为13%.对于不同的内力和位移响应,地震动空间变化特性的影响程度和规律不尽相同,必须区别对待,具体问题具体分析.     

苏通大桥结构健康状态评估技术研究与应用（3）：主梁损伤定位

为提高基于模态参数的损伤识别方法的损伤敏感性和噪声鲁棒性,将多源数据融合技术引入到苏通大桥主梁损伤定位方法中。基于D-S证据理论对模态柔度和模态应变能指标进行数据融合,并以苏通大桥扁平钢箱梁为分析对象,对融合后损伤定位指标的应用效果进行了讨论。结果表明：基于数据融合的损伤定位方法具有较强的损伤敏感性,只需要较少的低阶模态信息就能识别主梁的早期损伤;数据融合后,损伤定位指标可以在较强的噪声环境下准确地识别斜拉桥钢箱梁的损伤,具有较好的工程实用性。     

香港青马大桥在交通荷载作用下的疲劳评估

在全桥三维有限元模型基础上 ,进行了车载响应分析 ,得到全桥的动力响应 ,并与实测结果进行了分析对比 ;对疲劳危险部位建立局部有限元模型 ,并进行了局部应力分析。在结构健康安全监测系统实测数据基础上 ,得到应变循环标准块 ,用基于热点应力疲劳评估方法对危险部位进行了疲劳寿命评估。     

珠江黄埔大桥强震动监测和警报系统

首先引出在大型桥梁上开展强震观测应用的重要性,进而介绍在珠江黄埔大桥上布设强震动监测和警报系统的设计思路和方案,最后介绍系统使用的预期效果,达到桥梁震动报警、损伤判定、模态参数更新、时程数据捕获分析等目的.     

Structural health monitoring of long-span suspension bridges using wavelet packet analysis

During the service life of civil engineering structures such as long-span bridges, local damage at key positions may continually accumulate, and may finally result in their sudden failure. One core issue of global vibration-based health monitoring methods is to seek some damage indices that are sensitive to structural damage. This paper proposes an online structural health monitoring method for long-span suspension bridges using wavelet packet transform (WPT). The WPT- based method is based on the energy variations of structural ambient vibration responses decomposed using wavelet packet analysis. The main feature of this method is that the proposed wavelet packet energy spectrum (WPES) has the ability to detect structural damage from ambient vibration tests of a long-span suspension bridge. As an example application, the WPES-based health monitoring system is used on the Runyang Suspension Bridge under daily environmental conditions. The analysis reveals that changes in environmental temperature have a long-term influence on the WPES, while the effect of traffic loadings on the measured WPES of the bridge presents instantaneous changes because of the nonstationary properties of the loadings. The condition indication indices VD reflect the influences of environmental temperature on the dynamic properties of the Runyang Suspension Bridge. The field tests demonstrate that the proposed WPES-based condition indication index VD is a good candidate index for health monitoring of long-span suspension bridges under ambient excitations.     

苏通大桥结构健康状态评估技术研究与应用（1）：拉索损伤识别

采用改进的RBF神经网络建立了苏通大桥拉索损伤识别方法。2个不同阶固有频率之比是仅与损伤位置有关的结构振动参数,据此定义了用于损伤定位的损伤特征指标,并用其来训练神经网络;提出了基于R＋^2准则与Jackknife校验的改进RBF算法,以有效地控制RBF网络的过拟合现象。算例结果表明,所提出的方法可以较好地对苏通大桥斜拉索进行损伤识别。     

Structural condition assessment of long-span suspension bridges using long-term monitoring data

<正>This paper focuses on developing an online structural condition assessment technique using long-term monitoring data measured by a structural health monitoring system.The seasonal correlations of frequency-temperature and beam-end displacement-temperature for the Runyang Suspension Bridge are performed,first.Then,a statistical modeling technique using a six-order polynomial is further applied to formulate the correlations of frequency-temperature and displacement-temperature,from which abnormal changes of measured frequencies and displacements are detected using the mean value control chart.Analysis results show that modal frequencies of higher vibration modes and displacements have remarkable seasonal correlations with the environmental temperature and the proposed method exhibits a good capability for detecting the micro damage-induced changes of modal frequencies and displacements.The results demonstrate that the proposed method can effectively eliminate temperature complications from frequency and displacement time series and is well suited for online condition monitoring of long-span suspension bridges.     

Shrinking of Dongting Lake and its weakening connection with the Yangtze River:Analysis of the impact on flooding

In this article,the shrinking of Dongting Lake and its progressively weakening connection with the Yangtze River and their impact on flooding before and after the implementation of the Three Gorges Project are analyzed.In recent decades,human activity combined with natural processes has altered the flow of the middle reach channel of the Yangtze River and interfered with its connection with Dongting Lake.This has resulted in progressively more frequent flooding in the area.This study uses hydrological data to analyze the annual maximum discharge and annual maximum stage development of the middle reach of the Yangtze River and Dongting Lake.In recent decades before the Three Gorges Project became operational in 2003,the annual maximum discharge and the maximum stage recorded in the middle reach of the river downstream of Dongting Lake had increased,a result of the weakening of the flood regulation function of Dongting Lake;the annual maximum stage at Luoshan station(downstream,close to the confluence of the Yangtze River and Dongting Lake) had risen by about 2.0 m during 1955-2005,(1.5 m attributed to annual maximum discharge and 0.5 m to river channel deposition).Observational data recorded after the Three Gorges Project was put into operation in 2003,it can be seen that deposition in the Dongting Lake has nearly ceased and the lake's connection with the Yangtze River is stable.It is evident that the flood regulation function of Dongting Lake will continue,and that during the lifetime of the Three Gorges Project,the flood situation in the middle reach of the Yangtze River and Dongting Lake will remain stable.