拱橋吊桿損傷監(jiān)測與健康診斷.pdf

1、在拱橋結(jié)構(gòu)中，吊桿是關(guān)鍵的受力構(gòu)件，但由于長期處于惡劣的環(huán)境和疲勞受力狀態(tài)，吊桿往往因為環(huán)境腐蝕和疲勞損傷以及錨頭錨錠磨損而發(fā)生斷裂，導(dǎo)致橋梁倒塌，并因此造成嚴(yán)重的交通事故和人員傷亡以及帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和極壞的社會影響。因此發(fā)展一套吊桿損傷監(jiān)測和安全評定方法，具有重要意義。
　　本文對吊桿內(nèi)力、疲勞腐蝕、防腐砂漿失效等損傷進(jìn)行了監(jiān)測，提出了一套較為實用的監(jiān)測、評定和腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法，并通過實際工程檢驗了所提方法有效性和正確性

2、。其主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，針對吊桿內(nèi)力識別的頻率測試法都是基于弦振動理論、在實際應(yīng)用中可能帶來不可接受誤差的弊端，提出了一種基于頻率測試的吊桿內(nèi)力識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，給出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)計步驟和優(yōu)化方法。運(yùn)用20多座橋梁的200多組數(shù)據(jù)對設(shè)計好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練，得到了吊桿內(nèi)力預(yù)測較為精確的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并通過工程實例驗證了本方法的正確性。
　　其次，提出了拱橋吊桿應(yīng)力變化的光纖光柵傳感器監(jiān)測方法。對現(xiàn)役拱橋提出對吊

3、桿開窗直接布設(shè)裸光纖光柵傳感器，并對它的波長與應(yīng)變和溫度的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，通過標(biāo)定試驗，得到傳感器的應(yīng)變與溫度靈敏系數(shù)，提出并實施了現(xiàn)役拱橋吊桿光纖光柵傳感器的布設(shè)工藝、布設(shè)后吊桿的修復(fù)方法以及光纖光柵傳感器溫度補(bǔ)償方法；對新建拱橋吊桿提出用玻璃纖維－光纖光柵智能復(fù)合筋監(jiān)測吊桿應(yīng)力變化的方法，對復(fù)合筋在吊桿中布設(shè)工藝、根數(shù)、溫度和應(yīng)變靈敏系數(shù)以及如何與鋼絞線協(xié)同變形進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；比較了不同直徑纖維智能復(fù)合筋的極限應(yīng)變，得出φ7m

4、m的智能筋適用于監(jiān)測吊桿應(yīng)力變化；最后開發(fā)了取代式和粘結(jié)式兩種智能吊桿，并通過張拉實驗表明它們都能很好地監(jiān)測張拉全過程的應(yīng)力變化。
　　第三，提出吊桿拉伸損傷的聲發(fā)射監(jiān)測方法，得到了新舊鋼絞線、單根吊桿拉伸損傷的聲發(fā)射特征。首先根據(jù)聲發(fā)射特征參數(shù)圖提出了斷絲信號和非斷絲信號的判斷方法，運(yùn)用聲發(fā)射直線定位技術(shù)準(zhǔn)確定出了斷絲的位置；其次，由聲發(fā)射累積能量相關(guān)圖，動態(tài)分析了鋼絞線損傷演化過程和規(guī)律，判斷了斷絲的根數(shù)和發(fā)生的時刻；最后，基

5、于得到的聲發(fā)射參數(shù)，導(dǎo)出了聲發(fā)射參數(shù)同損傷變量的關(guān)系，建立了用聲發(fā)射累積能量相對變化表示的鋼絞線拉伸損傷演化方程，采用聲發(fā)射特征參數(shù)時間序列分形理論研究了鋼絞線的損傷演化規(guī)律，并提出將分形維數(shù)變化圖中“最大-最小”變化模式作為為鋼絞線臨界損傷破壞的判斷依據(jù)。
　　第四，提出了吊桿防腐砂漿損傷全過程的聲發(fā)射監(jiān)測方法。首先，通過三點彎曲試驗，得到了水泥砂漿梁破壞全過程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射計數(shù)的包羅曲線和荷載曲線具有良好的對

6、應(yīng)關(guān)系。然后，提出三種方法來預(yù)測它的損傷演化過程：1）速率過程分析方法，它的統(tǒng)計模型能有效預(yù)測聲發(fā)射事件數(shù)和判斷結(jié)構(gòu)的狀態(tài)；2）聲發(fā)射信號幅值與聲發(fā)射事件數(shù)關(guān)系圖分析方法，聲發(fā)射信號幅值包絡(luò)線形狀變化可以判斷損傷的極限狀態(tài)和損傷演化過程；3）分形算法，聲發(fā)射特征參數(shù)在不同應(yīng)力狀態(tài)下時間序列分形維數(shù)變化規(guī)律能很好預(yù)測水泥砂漿臨界破壞。最后，通過聲發(fā)射機(jī)理分析，利用聲發(fā)射能量的相對變化來定義水泥砂漿損傷因子，提出了用聲發(fā)射參數(shù)表示水泥砂漿損

7、傷演化方程的方法，并試驗證明了損傷演化方程的正確性。
　　第五，提出了基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的拱橋吊桿疲勞累積損傷壽命評估方法。對危橋和正常運(yùn)營兩種不同狀態(tài)的拱橋提出采用不同的方法來獲得它的疲勞應(yīng)力譜，結(jié)合實際橋梁監(jiān)測的數(shù)據(jù)，給出了拱橋吊桿腐蝕疲勞累積損傷計算公式、步驟及數(shù)據(jù)處理方法；并對實際橋梁的某一根吊桿腐蝕疲勞累積損傷進(jìn)行了預(yù)測，比較了有無腐蝕鋼絞線累積損傷壽命，其評估結(jié)果與實際結(jié)果基本吻合。
　　最后，把上述監(jiān)測和評定方法在四