Structural Health Monitoring through Dynamic and Geometric Characteristics of Bridges Extracted from GPS Measurments.pdf

1、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是土木工程界的一個新興研究領(lǐng)域，該項技術(shù)的應(yīng)用使得連續(xù)、實時地評估土木工程結(jié)構(gòu)的安全性能成為可能。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，根據(jù)已有的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，可有效地采取一定的預(yù)防措施來延長結(jié)構(gòu)壽命，并且防止災(zāi)難事故的發(fā)生。
　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)是一種應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要方法。雖然GPS已被證明可有效記錄結(jié)構(gòu)的相對位移，但是，如何利用GPS采集得到的結(jié)構(gòu)相對位移仍是GPS在健康監(jiān)測應(yīng)用中所面臨的主要挑戰(zhàn)。

2、r>　　針對上述問題，本文提出一個基于RTK-GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)框架，從而實現(xiàn)GPS在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用。本文采用某大橋的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，該橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測系統(tǒng)由哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制研究中心建立。
　　由于在該橋重建一年之后，在距離一號橋墩48.2m處產(chǎn)生了一個明顯的裂縫，因此，本文對該橋梁結(jié)構(gòu)的移動及損傷進(jìn)行了研究。此外，對各種因素所產(chǎn)生的裂縫（如風(fēng)速，環(huán)境溫度、車輛荷載等）以及橋塔的橫向及縱向位移進(jìn)行

3、了分析。
　　本文分別采用信號處理方法(Kalman濾波器，自適應(yīng)濾波器，參數(shù)化最小二乘法對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑和去噪處理，小波分析（短時傅立葉變換，連續(xù)小波變換，離散小波變換）對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行時域和頻域分析并識別不同的橋梁運動和可能的損傷)和幾何分析方法(平面模型，跨度模型和極坐標(biāo)模型)應(yīng)用于橋梁運動和損傷分析。
　　為了分析GPS信號的周期性成分，本文采用高通濾波方法確定橋梁移動信號的高頻成分。利用功率譜分析及短時傅里葉變

4、換完成時域信號到頻域的轉(zhuǎn)換，在此基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)換后的頻域信號進(jìn)行了譜分析。
　　本文得到如下結(jié)論：（1）車輛荷載是造成橋梁損傷的主要因素；（2）永和橋使用后六個月，該橋梁結(jié)構(gòu)的最大變形產(chǎn)生于離第距離一號橋墩48.2m處；（3）相比傳統(tǒng)傅里葉變換而言，短時傅里葉變換在結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方面具有明顯的優(yōu)勢；（4）GPS信號的靈敏度并不依賴于GPS傳感器的位置；（5）幾何分析方法便于計算橋塔的運動，而物理分析方法更有利于識別橋梁結(jié)構(gòu)損傷；（6）

5、GPS信號20 HZ的采樣頻率并不適合于采集結(jié)構(gòu)固有頻率；（7）Kalman濾波方法適合于結(jié)構(gòu)動力分析；（8）自功率譜及短時傅里葉變換方法能夠有效反映橋梁預(yù)期移動和損傷；（9）南塔運動引起的剪力以及車輛荷載引起的橋梁非線性運動是造成永和橋損傷的主要原因。
　　此外，通過分析 GPS和加速度技術(shù)采集的永和橋橋塔的橫向位移、加速度和扭轉(zhuǎn)位移數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：（1）GPS信號是含有噪聲的；（2）Wden函數(shù)的采用能夠提高20％的準(zhǔn)確性

6、；（3）能量譜密度是識別橋塔位移的有效參數(shù)；（4）GPS可作為一種可靠的方法研究低頻橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性。
　　除了上述提及的分析方法，本文采用多入單出（MISO）的魯棒擬合回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ARMAX（NNARMAX）模型用于識別橋梁的運動。分析結(jié)果表明：（1）考慮了魯棒回歸分析的的NNARMAX[4411]和[5415]模型比NNARMAX[0100]模型能夠更準(zhǔn)確的估計橋梁結(jié)構(gòu)的移動狀態(tài)；（2）魯棒擬合回歸模型能夠較好地映射荷