基于監(jiān)測信息統(tǒng)計分析的橋梁結(jié)構(gòu)安全評價研究.pdf

1、橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間受到各種因素的影響，其可靠性的不斷下降會導(dǎo)致安全隱患的產(chǎn)生，并可能由此使生命財產(chǎn)遭受重大損失。因此橋梁結(jié)構(gòu)的安全問題一直都被學(xué)術(shù)界和工程界高度重視。由于人工檢查和荷載測試等傳統(tǒng)方法需長時間中斷交通，而且檢測周期過長，無法發(fā)現(xiàn)兩次檢測間隔內(nèi)結(jié)構(gòu)的任何問題，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)橋梁的高速發(fā)展形勢，因此結(jié)合信息技術(shù)和力學(xué)理論的橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)越來越受到關(guān)注和重視并取得了一些進(jìn)展。然而，作為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測核心之一的安全評價，卻仍然沿

2、用傳統(tǒng)的方法，過分依賴于精確的結(jié)構(gòu)模型和確定的激勵。在實際應(yīng)用中，舊橋資料的嚴(yán)重缺失和橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷變化使得精確模型的建立十分困難，加上隨機(jī)環(huán)境激勵的未知性，使得基于模型的安全評價難以取得令人滿意的效果。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)采集了大量蘊涵結(jié)構(gòu)損傷特征信息的結(jié)構(gòu)響應(yīng)歷史數(shù)據(jù)，有人對不依賴結(jié)構(gòu)模型的評價方法進(jìn)行了探索，試圖通過對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，挖掘出結(jié)構(gòu)安全信息和結(jié)構(gòu)性能的演變規(guī)律，從而完成橋梁結(jié)構(gòu)的安全評價。這種基

3、于統(tǒng)計分析的評價方法避免了建立精確結(jié)構(gòu)模型的巨大困難，具有廣泛的通用性，但它尚處于研究初期，還未取得突破性進(jìn)展。因此對它進(jìn)行深入研究，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全評價體系，無疑具有重大的社會價值以及現(xiàn)實意義。 基于此，本文結(jié)合國家科技攻關(guān)計劃引導(dǎo)項目(2002BA105C)，從統(tǒng)計分析的角度出發(fā)，結(jié)合力學(xué)理論，提出了無需結(jié)構(gòu)模型的橋梁結(jié)構(gòu)安全評價體系并從理論上闡明了它的應(yīng)用原理；基于小波多尺度分析理論和相移回歸分析，從橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息

4、中提取了反映結(jié)構(gòu)安全狀況的活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)信息；在此基礎(chǔ)上研究了基于EWMA控制圖和統(tǒng)計指標(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)安全評價方法，并采用以D-S證據(jù)理論為核心的信息融合技術(shù)實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)安全的綜合評價；最后開發(fā)相應(yīng)的評價軟件并進(jìn)行了實橋應(yīng)用。 具體內(nèi)容如下： (1)以混凝土斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)橋為代表，通過對不同梁型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和溫度效應(yīng)進(jìn)行深入分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)累積損傷和劣化效應(yīng)發(fā)展的逐漸性、單向性，將反映結(jié)構(gòu)安全狀況的劣化效應(yīng)和活載效應(yīng)

5、的歷史監(jiān)測信息抽象為統(tǒng)計過程，以評價量出現(xiàn)不可恢復(fù)的單向變化趨勢為結(jié)構(gòu)的“不安全”特征，提出了一種不依賴結(jié)構(gòu)精確模型的通用橋梁結(jié)構(gòu)安全評價方法，并從理論上闡明了它的力學(xué)基礎(chǔ)和統(tǒng)計原理。 (2)針對橋梁結(jié)構(gòu)劣化效應(yīng)和活載效應(yīng)的不同時間尺度的特點，以小波多尺度分析為手段，將橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的歷史信息分離為瞬變信息(活載效應(yīng))和緩變信息；然后，根據(jù)溫度效應(yīng)與溫度的相關(guān)性，建立了相位差為半個日周期的溫度效應(yīng)的回歸方程，剔除了緩變信息中的溫度

6、效應(yīng)。從而在復(fù)雜的歷史數(shù)據(jù)中提取了反映橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況的活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)等評價量信息。 (3)根據(jù)結(jié)構(gòu)劣化效應(yīng)和活載效應(yīng)歷史信息的統(tǒng)計特點，在詳盡分析了各種控制圖性能的基礎(chǔ)上，將橋梁結(jié)構(gòu)可靠度理論與EWMA控制圖方法相結(jié)合，設(shè)置了安全評價的初級預(yù)警控制限和安全告警控制限，根據(jù)統(tǒng)計量在兩級控制限內(nèi)外的分布來判斷橋梁結(jié)構(gòu)的安全情況。為進(jìn)一步減小控制圖評價的虛警率和漏警率，以統(tǒng)計分析技術(shù)為手段，利用相對幅度指標(biāo)WRI和相對強(qiáng)度指標(biāo)R

7、SI反映評價變量在某一周期內(nèi)的單向變化程度并進(jìn)行安全評價。在此基礎(chǔ)上，針對橋梁結(jié)構(gòu)安全評價的復(fù)雜性和測量信息的不確定性，根據(jù)EWMA控制圖和統(tǒng)計指標(biāo)的初步評價結(jié)果，構(gòu)造了融合證據(jù)的基本概率分布，并基于D-S證據(jù)理論，用改進(jìn)的融合方法進(jìn)行融合，通過綜合評價來進(jìn)一步提高橋梁結(jié)構(gòu)安全評價的確定性。 最后，以重慶馬桑溪長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)為實例，針對本文的安全評價方法開發(fā)了相應(yīng)的評價軟件并進(jìn)行了實際應(yīng)用。 結(jié)果表明：通過小波分析

8、和相移回歸分析，可從橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)中有效提取反映橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況的活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)信息；利用EWMA控制圖結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠度理論，通過對活載效應(yīng)和劣化效應(yīng)信息的統(tǒng)計分析，可有效進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)安全的初步評價，并可用相對幅度指標(biāo)WRI及相對強(qiáng)度指標(biāo)RSI降低其虛警率和漏警率；基于D-S證據(jù)理論，通過對各初步評價結(jié)果進(jìn)行信息融合，進(jìn)一步提高了安全評價的有效性和確定性，獲得橋梁結(jié)構(gòu)安全的綜合評價情況。從而克服了基于模型進(jìn)行評價的巨大缺陷。