大型斜拉、懸索橋受損索識(shí)別新理論的研究及實(shí)踐.pdf

1、基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)識(shí)別索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)中的受損索是一種極具潛力的方法。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)對(duì)索力的監(jiān)測(cè)，根據(jù)索力的變化來(lái)識(shí)別索支撐結(jié)構(gòu)(指以索為承載支撐部件的結(jié)構(gòu))的索系統(tǒng)(指所有支撐索)中的受損索及其損傷程度。然而就單一索而言，其索力變化同其健康狀況(損傷程度)有明確的、單調(diào)變化的關(guān)系，但是，當(dāng)這根索是索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉橋、懸索橋)的索系統(tǒng)中的一根時(shí)，由于每一根

2、特定索的索力變化不僅僅受它自身健康狀況的影響，還受索系統(tǒng)中其它索的健康狀況的影響。因此觀察每一根特定索的索力的變化時(shí)，即使在該索相同健康狀況(相同損傷程度或無(wú)損傷)條件下，也會(huì)監(jiān)測(cè)到其索力變化忽正忽負(fù)、忽大忽小的現(xiàn)象，這對(duì)受損索的識(shí)別是非常不利的。目前還沒(méi)有一種公開的、有效的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法解決了此問(wèn)題。為了能對(duì)索支撐結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、懸索橋)的索系統(tǒng)的健康狀態(tài)有可靠的監(jiān)測(cè)和判斷，就必須有一個(gè)能夠合理有效建立起索支

3、撐結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)中每一根索的索力變化同索系統(tǒng)中所有索的健康狀況間的關(guān)系的方法?；谠摲椒ń⒌慕】当O(jiān)測(cè)系統(tǒng)給出的健康評(píng)估才會(huì)更可信。這也是本文研究的核心。
　　 本文針對(duì)索支撐結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、懸索橋)中索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，首次創(chuàng)造性地提出并研究了一種能夠合理有效地監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)(特別是大型索結(jié)構(gòu)，例如大型斜拉、懸索橋)的索系統(tǒng)中每一根索的健康狀況的系統(tǒng)和方法。并以建峰橋(一座索支撐橋)為具體研究案例，首次提出了

4、索系統(tǒng)中所有承載索的索力變化同所有承載索的健康狀況間線性關(guān)系的假說(shuō)，研究了基于健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的建峰橋受損索的識(shí)別問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出并研究了適用于一般索支撐結(jié)構(gòu)的索系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。該研究成果已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利。
　　 本文主要研究工作和創(chuàng)新性成果可以概述如下：
　　 ①對(duì)大型結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析而言，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建立可直接求解的方程通常是不可能的，一般都采用數(shù)值方法分析，例如用有限元法進(jìn)行索結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。當(dāng)研究索

5、結(jié)構(gòu)的所有索的索力變化同所有索的健康狀態(tài)間的定量關(guān)系時(shí)，也存在類似問(wèn)題，也可采用有限元法進(jìn)行分析，然后在有限元分析的基礎(chǔ)上尋找有關(guān)規(guī)律。本文以建峰橋這一索支撐橋?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)該橋的設(shè)計(jì)圖、竣工圖和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(包括橋型數(shù)據(jù)、索力數(shù)據(jù))，利用有限元法建立該橋的有限元基準(zhǔn)模型；然后在此有限元基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，在只有1根索、2根索、3根索、5根索、6根索、7根索、13根索、24根索、26根索、32根索、39根索、48根索、52根索、56

6、根索和104根索(即所有索)受損的條件下，具體模擬計(jì)算了所有索的索力變化；并對(duì)不同條件下的索力變化進(jìn)行了研究分析，以獲得規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。首次明確指出僅僅依靠增加模擬案例的數(shù)量，根據(jù)對(duì)模擬案例的總結(jié)歸納來(lái)識(shí)別受損索是非常困難的，其結(jié)論往往是不可靠的。
　　 ②針對(duì)建峰橋的索系統(tǒng)(指所有承載索)健康監(jiān)測(cè)問(wèn)題，首次創(chuàng)造性地提出了一個(gè)關(guān)于索力變化的線性關(guān)系假說(shuō)，給出了用向量和矩陣表達(dá)的線性關(guān)系公式。定義了線性關(guān)系公式中各個(gè)向量和矩陣，特別

7、是創(chuàng)造性地定義了單位損傷索力變化矩陣，給出了建立各向量和矩陣的步驟和方法。然后在建峰橋有限元基準(zhǔn)模型已做的拉索損傷模擬的結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了考核線性關(guān)系的方法。定義和使用了誤差向量，對(duì)提出的線性關(guān)系假說(shuō)進(jìn)行了驗(yàn)證研究。
　　 ③本文研究表明，在所有索的損傷程度都不大于30％，受損索的數(shù)量不太大等前提條件下，線性關(guān)系假說(shuō)在工程應(yīng)用上是可以接受的。或者說(shuō)該線性關(guān)系只是一種近似的線性關(guān)系，因此不能簡(jiǎn)單根據(jù)此線性關(guān)系來(lái)直接求解得到索損傷

8、向量，否則得到的索損傷向量中的元素甚至?xí)霈F(xiàn)較大的負(fù)值，也就是負(fù)損傷，這明顯是不合理的。為了獲得索損傷向量的可接受的解，即帶有合理誤差，但可以比較準(zhǔn)確的從索系統(tǒng)中確定受損索的位置及其損傷程度，本文創(chuàng)造性地提出使用多目標(biāo)優(yōu)化算法來(lái)求解上面提到的線性關(guān)系假說(shuō)公式，提出了具體的求解過(guò)程(也就是識(shí)別受損索的過(guò)程)。并針對(duì)所有模擬案例進(jìn)行了驗(yàn)證研究，研究表明，在一定條件下，基于線性關(guān)系的多目標(biāo)優(yōu)化算法受損索識(shí)別技術(shù)是能夠滿足工程應(yīng)用要求的。