融合长期监测数据的中小跨径梁式桥技术状况评定方法初探

'分类号U451单位代码10618密级公开学号2120082013硕士学位论文融合长期监测数据的中小跨径梁式桥技术状况评定方法初探研究生姓名:施永新导师姓名及职称:黄福伟研究员申请学位类别工学硕士学位授予单位重庆交通大学一级学科名称土木工程论文提交日期2015年4月16日二级学科名称结构工程论文答辩日期2015年6月05日2015年6月12日 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中■明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名夺薪曰期：＞化年占月曰重庆交通大学学位论文獻权使用授权书〇３本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阁。本人授权重庆交通大学可Ｗ将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等），同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。，、、冷心＇呵＾学位论文作者签名指导教师签名／气為去薪；曰期；年若月口《曰親＾於年月化曰／／本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社ＣＮＫＩ系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕±学位论文全文数据库出版章程》规定旱受相关权益。Ｉ，姑夺赖／句学位论文作者签名：麵师签名：今作曰期：年月口曰曰期：啤月〇曰＇又吩／／＞化＾ Thefusionofthelong-termmonitoringdataofsmallandmediumspanbridgetechnicalconditionevaluationmethodADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ShiyongxinSupervisor：Prof.HuangFuweiChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,China 摘要本文以一座安装长期监测系统的简支梁桥为依托工程，基于该桥的定期检测数据和长期监测数据，针对中小桥梁结构特点，提出了一种融合定期检测数据和长期监测数据的中小跨径梁式桥技术状况评估方法。本文主要研究成果如下：①将应变、跨中挠度、基础沉降及裂缝宽度监测项目分别作为一种病害融合在现有的桥梁技术状况评定标准之中，将人工表观检测结果和监测数据纳入统一评估体系中，解决了长期监测数据和人工检测数据互不相容的问题。②将使用度指标和K线图引入到中小桥梁的技术状况评定之中，利用使用度指标和变化趋势给出各监测项目的评定等级及评定标准。③对依托工程应变监测数据、跨中挠度监测数据和裂缝监测数据进行处理分析，绘制应变、跨中挠度和裂缝监测值以日和以周为周期的使用度曲线和动向指标曲线，并结合评定标准及人工检查报告对全桥技术状况进行评估，证明评估方法的合理性和实用性。④绘制新村中桥监测时间内温度曲线并和桥梁应变、挠度及裂缝监测值使用度曲线及动向指标曲线进行对比分析，得出简支梁桥应变监测值变化主要是由汽车荷载产生的，而裂缝监测值变化主要是温度变化产生的，挠度监测值则几乎不受温度影响。⑤采用误差最小准则和遗传算法对新村中桥传感器配置进行优化计算，得出简支梁桥长期监测传感器除在跨中截面布置外，其余传感器采用均匀对称布置。⑥提出中小桥梁融合监测数据使用度和动向指标的单项预警机制，给出各监测项目报警级别及报警指标，经过依托工程的实际应用，证明该方法的有效性和直观性。关键词：中小桥梁，健康监测，使用度，动向指标，技术状态评估，预警I ABSTRACTBasedonperiodicinspectiondataandlong-termmonitoringdatacollectedfromalong-termmonitoringsystemwhichwasinstalledinasimplesupportedgirderbridge,thepaper,fromtheperspectiveofstructuralfeatureofmiddleandsmallscaledbridge,broughtupanassessmentmethodonhowtomonitorthetechnicalconditionofsmallandmediumscaledgirderbridgebyblendingthedataofbothperiodicinspectionandlong-termmonitoring.Themajorresearchresultsinthispapermightbeconcludedasfollows:①Tosolvetheproblemcausedbyincompatibilitybetweenlong-termmonitoringdataandartificialtestdata,theauthorrespectivelyincludedstrain,mid-spandeflection,foundationsettlementandcrackwidthmonitoringtogetherintothepresentbridgetechnicalconditionassessmentstandardsasdiseasefactor,while,inthemeantime,theauthoralsoattacheddatacollectedfromartificialapparentobservationanddetection.②ByintroducingandanalyzingusageindexandKlinegraph,theauthorwasabletorankandevaluatetheabovementionedfactorsofsmallandmediumbridge.③Toprovetherationalityandpracticabilityofassessmentmethod,theauthornotonlyprocessedandanalyzeddailyandweeklydatacollectedfromstrain,mid-spandeflection,foundationsettlementandcrackwidthmonitoring.Butalsoplotdailyandweeklycurvesandcomprehensivelytookassessmentstandardsandartificialtestreportsintoconsideration④Byplottingandcontrastivelyanalyzingtemperature,strain,deflectionandcrackcurveduringmonitoringperiod,theauthordiscoveredthatthemaincauseforstrainchangesofsimplesupportbridgeistheautomobileload,whilecrackvalueismajorlyundertheinfluenceoftemperaturechanges,however,deflectionishardlyinfluencedbytemperature.⑤Byemployingminimumerrorprincipleandgeneticalgorithm,theauthoroptimizingsensorarrangementandcalculationofXinCunZhongBridge,anddiscoveredthatlong-termmonitoringsensorshouldbefixedtomid-spansectionwhileothersensorsshouldbeequablyandsymmetricallyarranged.⑥Theauthoralsoproposedasinglewarningmechanism,alarmlevelandalarmindicationbasedondatausagedegreeandDMI(directionalmovementindicator)forII smallandmediumbridges.AndthepracticalapplicationonXinCunZhongBridgefurtherprovestheeffectivenessandexplicitnessofthismethod。KEYWORDS：SmallandMedium-sizedbridge，Monitoring，Usagedegree，DMI，TechnicalConditionEvaluation,EarlyWarningIII 目录第一章绪论.............................................11.1中小桥梁长期监测的意义.............................................................................11.2中小桥梁长期监测系统现状.........................................................................31.2.1中小桥梁长期监测特点..................................31.2.2中小桥梁长期监测系统的不足............................41.2.3阻碍中小桥梁长期监测系统发展的因素....................51.3中小桥梁安全评估方法研究现状................................................................51.3.1基于专家评分建立的加权综合评定法.....................61.3.2层次分析法............................................61.3.3荷载试验评定法........................................71.3.4分析计算评定法........................................71.3.5专家系统评定方法......................................81.3.6人工智能评定方法......................................81.3.7结构可靠度方法........................................91.4本文的主要研究工作内容...........................................................................10第二章新村中桥长期监测实施方案........................112.1监测系统总体设计原则...............................................................................112.2简支梁桥的传感器选型和优化布置...........................................................112.2.1传感器选型和布置原则.................................112.2.2简支梁桥传感器优化布置..............................122.2.3新村中桥优化实例.....................................162.3新村中桥监测方案.......................................................................................182.3.1桥梁概述............................................182.3.2挠度监测方案.........................................192.3.3应变监测方案.........................................212.3.4裂缝监测方案.........................................222.3.5温度监测方案.........................................23第三章融合监测数据的中小公路桥梁技术状况评估...........243.1融合监测数据的技术状况评估方法...........................................................243.2使用度及K线图..........................................................................................273.3趋势分析模型及评判标准...........................................................................30I 3.4基于监测参数的技术状况评定标准...........................................................323.4.1应变监测情况评定标准.................................323.4.2跨中挠度监测情况评定标准.............................333.4.3裂缝宽度监测评定标准.................................34第四章监测数据分析及技术状态评估......................374.1新村中桥数据监测及处理...........................................................................374.2应变监测数据分析及状态评估...................................................................374.3裂缝监测数据分析及状态评定...................................................................504.4挠度监测数据分析及状态评定...................................................................574.5温度和各监测量之间的关系分析..............................................................614.6融合监测数据的全桥技术状况评估...........................................................62第五章融合监测数据的中小桥梁结构安全预警及实桥分析.....655.1引言...............................................................................................................655.2应变监测量预警指标...................................................................................655.2.1融合监测值使用度的单项预警...........................655.2.2融合监测值动向的单项预警.............................675.3挠度监测量预警指标...................................................................................685.3.1融合挠度监测值使用度的单项预警.......................685.3.2融合挠度监测值动向的单项预警.........................695.4裂缝监测量预警指标...................................................................................705.4.1融合裂缝宽度监测值使用度的单项预警...................705.4.2融合裂缝宽度监测值动向的单项预警.....................715.5融合使用度和动向指标单项预警的优势分析..........................................72第六章结论与展望......................................736.1取得的主要研究成果...................................................................................736.2展望..............................................................................................................74致谢...............................................75参考文献...............................................76在学期间发表的论著及取得的科研成果......................78II 第一章绪论第一章绪论1.1中小桥梁长期监测的意义随着我国交通运输业的发展，一个以国道、省道为主要骨架的交通网已经基本形成。然而，大幅度增长的交通运输，越来越大的行车密度及车辆载重，使现有公路桥梁中有相当一部分已经满足不了适用要求，尤其是量大面广的中小桥梁[1]表现地尤为突出。确保公路桥梁正常运营是保障公路畅通的关键。我国现有的桥梁结构由于施工、设计缺陷，和长期使用过程中损伤、灾害或老化，逐渐暴露出混凝土结构开裂、承载力不足、抗震性能不良、使用性能降低等诸多问题。针对这些问题必须加强在役桥梁的养护和管理，以提高其承载能力和通行能力。《2012年公路水路交通运输行业发展统计公报》显示，2012年全国公路桥梁达71.34万座，其中特大桥梁2688座，大桥61735座，中小桥64.90万座，可以看出，中小桥梁占据桥梁总数比例高达90%以上。由于施工质量、巡检、养护等方面原因，使得中小跨径桥梁安全系数要低于大型桥梁。特别需要指出的是，相对于较大跨径桥梁，超载对中小跨径桥梁的影响更大。我们知道，桥梁设计载荷是按照标准载荷、跨径等加以计算的，中小桥梁跨径较小、设计荷载较低，即使[2]-[3]少量超载也会导致其荷载率(实际荷载/设计荷载)很高。这些因素导致中小桥梁相较大型桥梁更容易发生严重的灾害事故，如图下图所示：图1-1超载导致破坏图1-2失稳导致破坏1 重庆交通大学硕士毕业论文图1-3承载力不足导致破坏图1-4落梁导致破坏桥梁健康监测是通过安装在桥梁结构上的传感器对桥梁特定物理量进行长期[4]-[5]监测，监测数据是桥梁结构在实际运营过程中对特定状态的真实反映，它具有评估结构安全状态、预警和设计验证作用。桥梁管理者可以采取特定手段对实时监测数据进行分析来评估桥梁运营状况、承载能力等，从而为桥梁管养提供参考依据。当桥梁在特殊气候（例如强风作用）、交通条件（例如超载）或是营运状态发生严重异常时，触发报警系统，发出预警信号，通知桥梁管理者及时采取处置措施，避免严重事故发生。另外，桥梁受力跟桥梁结构选型和桥梁所处环境有很大关系，桥梁设计者在进行结构理论分析时常常是基于理想化的离散模型，并且分析时常以假定条件为前提，这往往和桥梁真实情况存在区别。长期监测实际就是给桥梁做足尺试验，监测数据能真实反映桥梁实际受力状态和运营状态，通[6]-[7]过监测数据来验证结构模型，并对结构设计提供参考和指导具有重要意义。长期以来我国桥梁界存在严重的重建设轻管理现象，造成大量中小桥梁具有不同程度的安全隐患，每年用于危桥加固改造的费用急剧增长。对存在安全隐患的中小桥梁全部进行改造或加固是不科学的、也是不经济的。桥梁管理部门必须对原桥技术状况特别是承载能力和安全性做出科学合理的判断，真正了解在役桥梁实际状态，包括损伤状况、实际承载能力等。针对桥梁损伤程度的不同分别采取限制通行、监测变化等差别化处置对策，可以使得对在役桥梁的改造决策更加科学，改造技术方案更加合理、经济。尽管绝大多数灾害事故发生在中小桥梁中，但是国内外对桥梁长期监测的研究大多集中于大跨度桥梁，研究中小桥梁长期监测的机构、人员和投入等相对较少。在国内，除了同济大学肖汝诚教授团队与上海市金山区公路管理署合作建立了针对后者辖区范围内200多座桥梁的运营监测系统外，很少有中小桥梁安装长[8]期监测系统。随着交通行业的快速发展，中小桥梁数量和病害越来越多，桥梁2 第一章绪论养护与维修工作日趋繁重,桥梁管理者亟需一套针对中小桥梁、价格便宜、高效方便的桥梁长期监测系统。因此开展中小桥梁长期监测系统研究具有重要的意义。1.2中小桥梁长期监测系统现状1.2.1中小桥梁长期监测特点随着计算机科学，通信技术及仪器设备的进步，桥梁长期监测得到长足发展。但相对于量大面广的中小桥梁来说，现有的长期监测系统存在诸多问题，远远不具备大面积推广的条件。为适应现代交通发展和中小桥梁养护的要求，中小桥梁长期监测系统必须具备以下特点：①费用低廉。费用是制约中小桥梁长期监测发展最主要因素，目前在大型桥梁实施的长期监测系统价格居高不下，难以在中小桥梁中得到广泛推广和应用。为降低现有监测系统成本，研究人员应从以下几个方面进行改进：1)重视先进仪器设备的研发。在中小桥梁长期监测系统中，安装实施的人力成本及措施费用占到很大比重，但人力成本和措施费用往往是由仪器设备安装难易程度和可靠性决定的，因此，要降低中小桥梁长期监测费用，就必须重视仪器设备的研发和改进。研究出功能齐全、安装快捷方便、性能稳定可靠的监测设备。2)以桥群的形式共享监控设备。中小桥梁结构简单，受力明确，监测所需的传感器类型和数量都较少，通过改进传感器进行成本控制意义不大。目前监控中心的费用是在实施成本方面制约中小桥梁监测系统的关键，包括存储设备、服务器和专业软件开发费用等。2005年，同济大学肖汝诚教授等与上海市金山区公路管理署合作建立了针对后者辖区范围内200多座桥梁的运营监测系统，采用多座桥梁共享监控中心的方式，从而降低了监控中心分摊到每座桥梁上的成本。招商局重庆交通科研设计院的孟利波研究员提出基于云平台的中小桥梁监测系统架构方案，采用虚拟机替代物理服务器，使所有桥梁共享安全评估服务器、数据中心服务器和Web服务器，相较传统架构方案，基于云平台的架构方案在硬件成本、软件成本、部署效率和系统稳定性等多方面均具有显著优势，从而达到降低成本[9]的目的。3)专业化的安装团队。监测传感器非常灵敏，量程很小，桥梁在运营过程中振动明显，如果安装质量不到位，很容易造成已安装传感器失效。中小桥梁不像大型桥梁专门安装有检查设备，一旦传感器失效，维修或是更换传感器会造成人工成本和措施费用的显著增加。因此，专业化安装团队就显得非常重要。②充分高效利用监测数据。和大型桥梁相比中小桥梁传感器类型和数量比较3 重庆交通大学硕士毕业论文少，监测信息量有限。中小桥梁安全状态评估和预警必须充分利用有限的监测数据，将监测数据和人工巡检及专家意见相结合，建立多层次的桥梁安全状态评估系统和预警系统，为桥梁维护和管理工作提供服务。③损伤识别的针对性。中小桥梁结构简单，受力明确，施工工艺成熟，各监测量之间相互关联性较小，监测数据可信度较高。要根据不同结构型式桥梁损伤机理，准确判断桥梁损伤位置和损伤程度，为桥梁养护管理提供依据。1.2.2中小桥梁长期监测系统的不足近年来中小桥梁安全事故频发，给人们生命财产带巨大损失，桥梁管理部门及相关科研院所开始重视中小桥梁长期监测的研发。目前中小型桥梁长期监测系统研究和应用工作已经取得了一定成就,但总体水平不高已是不争的事实。监测系统在监测过程中出现传感器损坏，监测数据漂移等各种问题。虽然国内有部分中小桥梁安装长期监测系统，但监测系统的完备性、稳定性以及安全评估的可靠性均未得到充分证实，有的中小桥梁监测系统甚至只监测不对其进行安全评估，离达到实用性的中小桥梁长期监测目的还有很大差距，目前中小桥梁长期监测系统[1]主要存在以下不足：①中小桥梁监测系统缺乏规范性指导性设计原则。国内从事中小桥梁长期监测的单位比较少，基本是一家单位一套监测系统，且各系统之间千差万别，特别是可靠性和实用性不高；②传感器优化布置算法还有待进一步研究，例如，怎样在含噪声的环境中，利用尽可能少的传感器获取全面、精确的结构参数信息，怎样获得对模态参数变化最为敏感的时程记录，怎样通过添加传感器对感兴趣的部分模态进行数据采集，从而使测得的模态能够与模型分析的结果建立对应关系等；③长期监测设备稳定性差和耐久性不强。由于监测设备比较精密，在野外恶劣环境及行车振动情况下极易出现松动、锈蚀等损坏，一般在成桥后安装的长期监测系统经过7~8年时间运营后，大部分传感器失效。在这些故障中有些是监测设备本身质量问题，有些是由于安装不到位留下的质量隐患。无论哪种问题，桥梁管理人员很难判断数据异常产生的原因，并且，中小桥梁检查更换监测设备措施费用很高，桥梁管养单位很难承担频繁的检查费用。设备稳定和耐久性问题已成为制约中小桥梁发展的重要因素。④中小桥梁监测与安全状态评估系统还处于研究阶段，距离实用性系统目标相距甚远，如对桥梁缺损状态评估缺乏统一有效的指标，结构损伤识别，定位、安全评估及恶化趋势预测理论还不成熟，难以反映个别构件的缺损及严重程度对4 第一章绪论整个桥梁的影响。1.2.3阻碍中小桥梁长期监测系统发展的因素阻碍我国中小型桥梁长期监测系统快速发展的问题集中体现在安全意识薄弱、[5]资金投入不足、技术应用落后和专业技术人员素质不高等几个主要方面:①安全意识薄弱。在我国，相对于大型桥梁,政府相关部门和社会公众对中小型桥梁的安全意识不高，导致中小桥梁在运营过程中养护和管理不到位，频繁出现各种事故,如果在中小桥梁上也安装长期监测系统，就可以减少甚至是避免安全事故的发生。②资金投入不足。资金投入不足不但是制约我国中小型桥梁建设规模的重要阻碍因素,同时也是限制中小型桥梁长期监测系统研究和应用工作的重要原因。③技术应用落后。技术应用落后是制约我国中小型桥梁长期监测系统发展的重要瓶颈。主要表现在以下两个方面：1）现有监测元器件的可靠性和耐久性不够，很多元器件在使用1~3年后即出现问题，不得不进行更换。在野外环境下，传感器会受到各种因素的干扰或是自身问题而产生误报警，这种误报警常常会让桥梁管理者难以判断桥梁是否真的发生破坏;2）对于量大面广的中小桥梁来说，现行的长期监测系统费用过高，很难大面积推广。但是，现阶段鲜有单位对其进行研究，以致性能更好，价格更低的传感器出现缓慢。④专业技术人员素质不高。主要表现在以下几个方面:1)专业从事中小桥梁长期监测研发和应用的技术人员非常匮乏。目前国内只有少数几家实力较强的单位在从事中小桥梁长期监测的研究和应用，相对于中小型桥梁庞大基数显得捉襟见肘;2)专业技术人员继续教育和培养滞后。目前中小桥梁的长期监测还处在起步阶段，只有少数单位在从事这方面的研发和应用，并且不同单位开发的长期监测系统各不相同。以致没有统一的人员培养模式和培养机制，更没有专门机构为从事[10]中小桥梁长期监测的人员提供继续教育。1.3中小桥梁安全评估方法研究现状近年来桥梁安全状态评估方法研究得到快速发展，主要是如下几种：基于专家评分建立的加权综合评定法、层次分析法、荷载试验评定法、分析计算评定法、专家系统评定法和人工智能评定方法等。其中前四种评估方法比较成熟和使用比较广泛，专家系统评定法和人工智能评定目前还处在研究阶段，距离实际应用还有一定的距离，现将六种评估方法介绍如下：5 重庆交通大学硕士毕业论文1.3.1基于专家评分建立的加权综合评定法我国现行的《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）、《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/TH21-2011)和《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）即采用此方法。该方法通过现场检测结果对桥梁各构件的缺损情况进行评分，结合规范给出的桥梁各构件权重，计算桥梁总体缺损状况指数来评价桥梁安全状况。目前广大的桥梁工作者对评价方法和评价标准已有大量的研究，使其评定技术日趋完善。加权综合评定方法在工程实践中应用非常广泛，证明该评估方法具有很强的生命力。但是，此类评定技术的取值主要是由评定工程师自身的经验和判断决定的，很难通过定量信息直观描述，因此不同的评定者可能得出不同的评定结果。1.3.2层次分析法美国运筹学家A.L.satty在七十年代提出的层次分析法。层次分析法的核心是将定性因素用定量的方法来描述，然后对多指标进行综合评价。层次分析的主要优点是能够减少评估工作者主观因素的影响，使评估方法更加客观、科学和真实[11]。用AHP法对中小桥梁进行安全状态评估的工作步骤和内容大致包括如下几点：①明确目标值；②划分和选定有关因素；③建立层次：④构造各层的判断矩阵；⑤检验判断矩阵的一致性并修正判断矩阵。目前广泛应用于桥梁评估的是常权综合评估方法，该方法理论简单、评估思路清晰。但是，桥梁构件众多，并且各构件损伤程度和重要系数直接决定了全桥的安全状况，这就涉及到要考虑评估的均衡性问题。兰海，史家钧将灰色关联分析和变权综合原理引入到层次分析法中，用变权综合原理确定评价指标评语和其他层次指标评语，并对其进行量化。很好解决了桥梁各构件状况和综合决策之间均衡性问题。是一种桥梁评估较为合理的方法。常权综合模式：n(0)Vx0jjj（1.1）修正为变权模式：6 第一章绪论m0(0)Vj(,...,,x1xmj,...,m)xjj1（1.2）式中：VV，为评价值：0（0）为第j个指标的权重，为变权后的权重；jjxj为第个指标的权重。j1.3.3荷载试验评定法荷载试验评定法分为静载试验评定法和动载试验评定法，桥梁在设计、施工及检测评估中存在很多不确定因素，根据外观检查和有限元计算分析对桥梁安全状态进行评估存在一定程度上的缺陷和不足。荷载试验评估法是对实桥施加试验荷载，相当于是给实桥做足尺试验，能够获得桥梁一部分确定信息，给桥梁安全[12]状态评估提供依据。静载试验通过校验系数和相对残余来评定结构的安全状态和承载能力，利用在试验活载作用下测得的桥梁结构特性值计算校验系数和相对残余，当两者不满足规范要求时，应及时采取限制通行和加固等措施。动载试验可以测得桥梁动力特征值，如冲击系数、自振频率、振幅、阻尼比、动刚度等。利用这些信息对桥梁进行损伤识别，判断桥梁损伤部位和损伤程度。荷载试验评定法的缺点是成本过高和需要中断交通。但近年来随着以现场试验为基础的损伤评估技术的迅速发展，该方法应用前景广阔。1.3.4分析计算评定法最常用的分析计算方法是根据规范对结构进行检算，包括正截面强度检算、斜截面强度检算、挠度检算等等。我国《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21-2011）规定，结构承载能力评定应结合现场检测数据，采用引入分项检算系数修正极限状态设计表达式的方法进行，分项检算系数包括通过检测评定方式确定的承载能力检算系数、通过荷载试验方式确定的承载能力检算系数、截面折减系数、活载影响修正系数等等。此外，近年来以钢筋混凝土非线性有限元分析为基础的桥梁承载能力分析计算评定方法有所发展，该方法的关键是如何用有限元来模拟结构的真实状况，如材料本构关系的真实反映、损伤位置及损伤程度的真[13]实模拟、复杂作用在简化结构上的合理表达、结构破坏模式的确定等。上述问题一旦得到解决可省去昂贵的试验费用，避免在实际试验中对结构造成再次损伤。7 重庆交通大学硕士毕业论文1.3.5专家系统评定方法专家系统评定方法实际上就是利用计算机程序对桥梁进行评估。这种程序具有相当于专家的知识和水平。桥梁在设计阶段、施工阶段和运营管理阶段存在很多假设和不确定因素，这些假设和不确定因素大多难以用定量计算加以描述。然而利用专家系统对桥梁进行安全状态评估则能很好的解决这个难题。专家评估系统是利用计算机程序模拟具有丰富桥梁评估经验的专家的决策机理，同时该方法能帮助桥梁评估专家总结其在桥梁评估过程中的经验，并能实现知识、经验共享，减少评估专家主观因素的影响。随着计算机技术的不断发展，专家系统无论是在评估的准确性方面，还是在评估的效率方面都具有明显的优势，将成为桥梁安全状态评估最理想的方法。然而专家系统开发成本过高，技术难度大，在我国桥梁[14]评估界还没有得到广泛的研究和应用。1.3.6人工智能评定方法常见的人工智能评定方法有模糊综合、神经网络、灰色关联度等。[15]模糊综合评估法是模糊数学的一种具体的应用方法。他可以用定量的方法来表示各种不确定的因素，再借助于模糊运算得到结构的评估结果矩阵，通过评估结果矩阵，不但可以得出评估对象的评估等级，而且可以得到其隶属于各个等级的具体情况等有用信息，目前广泛应用于各个领域。模糊综合评估能很好的反映客观事物的本质，较好地解决了事物的模糊性和算法的确定性这一矛盾，是对中小桥梁安全状态进行综合评估的一种理想方法。模糊综合评估方法是以模糊集合论为理念基础，应用模糊关系合成原理，从多个因素对被评估事物隶属等级状况进行综合性评估的一种方法。它除了具有模糊集合的上述性质外，还有其自身的特点。①就评估层次来讲，模糊评估可以是多级评估，也可以是单级评估。在采用多级评估时，前一级综合评估的结果数据输入后一级进行评估，这样就使复杂事物的评估得到满足，最大限度地客观描述被评估的事物；②评估结果不是一个点值而是一个向量。模糊综合评估的对象具有中介过渡性，所以评估结果就应该具有相关性，从而只能用各个等级的隶属度来表示，由此被评估事物在某方面[16]的模糊状况才能得到客观描述。神经网络是一种非线性动力学网络系统，它是在现代心理学和神经生理学的[16]研究基础上，模仿人的大脑神经元结构特性而建立的。它由大量的简单的非线性处理单元(类似人脑的神经元)高度并联、互联而成，能简单数学模仿人脑的某些基本特性。概括来讲，人工神经网络具有高度非线性、高度并行性全局作用、8 第一章绪论[17]良好的联想记忆功能和容错性以及自适应性等特殊的信息处理功能。在网络学习阶段，输入样本与其相应类别的对应是网络通过调整权重来实现的。神经网络训练完毕后，只要在已训练好的神经网络输入端输入数据，就可以从输出端得到分类结果。神经网络分类过程可以分为分类和训练两个阶段。在训练阶段，首先定义网络的拓扑结构,再对训练样本中的每个属性值进行规范化预处理，然后将已预处理的输入值输入到神经网络端进行学习。训练完毕后,将标识样本用训练好的神经网络进行分类。目前的神经网络模型很多,在众多的神经网络模型中，反向传播模型(BP模型)是典型神经网络，使用最为广泛。大量应用事实证明神经网络的“黑箱操作”有足够的精度，且随着神经网络理论的发展和完善，其精度会越来越[17]-[18]高。但是神经网络的学习需要大量样本。由于知识水平的限制，人们获取客观事物信息具有广泛的不确定性和不完全性。灰色系统理论将这种部分信息已知和部分信息未知的现象定义为人们对客观事物的认识具有灰色性。因而绝大多数客观事物所形成和表现出的是一种灰色系统。桥梁工作者对桥梁评估的认识具有灰色性，因而桥梁安全状态评估过程也是一个灰色系统。故可以利用灰色系统理论对桥梁进行安全状态评估。灰色关联度理论是灰色理论的基础，他代表各时间系列之间关系的强弱，最终结果是对各时间序列做出排序。这种方法适合某个问题有多个属性，同时有一组最优数据可描述这些属性，属于多目标、多属性的评估。虽然近年来灰色关联度理论得到长足的发展，但其几何形状相似性的表达方式还不完善。同时，灰色评估需确定参考资料的最优值，对于中小桥梁部件而言，很难准确的获得评估值，严重制约着灰色关联度理论在桥梁评估中的应用。1.3.7结构可靠度方法随着结构可靠度理论的日趋完善和成熟，其在桥梁安全状态评估中得到广泛应用。桥梁在实际运营过程中，存在很多不确定因素。首先，作用在桥梁结构上的荷载是不确定的，很难准确获悉结构在某段时间内所受到的荷载信息，其次，随着桥梁服役时间不同，桥梁结构在相同荷载工况下产生的抗力也不同。桥梁结构剩余寿命不同，其对应的可靠度也不相同，荷载增加，结构损伤程度表现出加速趋势，桥梁结构的可靠度随时间逐渐减小，同时，受预应力损失、钢筋锈蚀和混凝土碳化等因素的影响，结构抗力成退化趋势。通常桥梁结构在剩余使用期内的承载能力失效概率计算采用时变可靠度的方法计算，同时考虑结构抗力退化的[19]影响。目前桥梁评估方法大多是设法将不确定因素用数值定量方法表示，但可靠度9 重庆交通大学硕士毕业论文方法可以采用事件概率来表示不确定的物理量，科学反映桥梁评估工作者对桥梁安全状态的认识。在对桥梁安全状态进行评估后，桥梁管理者经常面临的抉择是对该桥梁采取加固措施还是继续通行。采用可靠度指标或失效概率的形式给出评价结果，能够在桥梁加固维修所需费用和继续通行所承担风险代价之间找到平衡点，使得可靠度评估方法在桥梁安全状态评估中得到广泛重视。桥梁结构在设计阶段、施工阶段和运营阶段存在很多不确定因素。当在役桥梁的抗力、荷载效应[20]-[21]和规范存在明显差异时，必须采用可靠度方法对桥梁安全状态进行评估。从国内外研究进展来看，可靠度理论具有很强的包容性，能将各种不确定因素考虑在内，而不拘泥于弄清某一种因素对桥梁结构的影响，从而对桥梁的评估会更加准确。可靠度理论是在役预应力钢筋混凝土梁桥承载能力评估的主要发展方向，特别是在评估方法中对于材料和抗力时变特性，及对结构体系性能的考虑。1.4本文的主要研究工作内容本文主要研究内容如下：①参照《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)和《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/TH21-2011），以安装有长期监测系统的新村中桥为依托，提出将应变、跨中挠度及裂缝宽度监测项目分别作为一种病害融合在现有的桥梁技术状况评定标准之中，融合监测数据对中小桥梁技术状况进行评估。②将使用度和K线图引入到中小桥梁的技术状况评定之中，利用使用度指标给出应变、跨中挠度、裂缝宽度监测项目的评定等级及评定标准。③采用测量误差最小准侧和遗传算法对简支梁传感器优化配置进行理论分析，并结合新村中桥长期监测传感器的安装，探讨中小桥梁长期监测系统的特点。④对新村中桥长期监测数据进行统计分析，绘制应变、跨中挠度和裂缝日周期和周周期使用度曲线和动向曲线指标，通过使用度曲线和动向指标曲线对桥梁安全状态进行分析，并对其技术状况进行评定。⑥利用监测数据并结合最近一次人工检测报告对新村中桥的技术状况进行评估。验证融合监测数据的中小桥梁评估方法的合理性。⑦提出基于监测数据使用度和动向指标的中小桥梁结构安全预警机制。将桥梁预警分为绿色、黄色和红色三级。确定应变、跨中挠度、裂缝宽度监测项目的三级预警指标，并对新村中桥进行预警分析。10 第二章新村中桥长期监测实施方案第二章新村中桥长期监测实施方案2.1监测系统总体设计原则①系统的科学实用性根据新村中桥长期监测的结构特点，准确把握结构的关键部位，关键指标，使之能够利用监测到的信息准确评价桥梁安全状况。②系统的完整性和开放性实时监测桥梁结构是一个动态跟踪桥梁结构健康状态的有效方法，对了解结构整体受力特性和变化规律、及时掌握桥梁健康状态极为有利。因此，参数监测系统要能够采集到结构状态评估所需要的完整信息。同时，监测系统要能随着技术的发展而扩充，使得监测功能增强、状态评估更全面。③监测系统的先进性和可靠性在中小桥梁长期监测系统中，监测系统应具有一定的先进性。在费用允许的情况下，尽可能采用先进的监测设备与技术，在长期监测过程中尽可能减少设备的更新和维护，使长期监测系统的性价比达到最高。由于结构物监测是一项长期的工作，其运行时间长达十年甚至是二十年以上，并且桥梁结构处在复杂的野外环境中，其次，由于桥梁结构的特殊性，传感器安装后的维护和更换变得非常困难，因此传感器的可靠性和稳定性就显得尤为重要。所以在监测系统满足先进性的同时应高度重视整个系统的可靠性，选择性能稳定，[22]可靠的硬件和软件产品，保证中小桥梁长期监测系统长期安全运行。2.2简支梁桥的传感器选型和优化布置2.2.1传感器选型和布置原则传感器是连接被测结构和长期监测系统关键性的硬件设备，其工作性能的好坏、可靠性以及布设位置的合理性是长期监测系统有效运行的基础。长期监测系统传感器的选型和布置主要考虑以下几个原则进行：①适用性原则中小桥梁长期监测系统选用的传感器和数据采集仪应能够满足数据精度，准确性和和自身适应野外恶劣环境等方面的要求。适应性还包括所选用的传感器和信息采集仪还应具备适当的先进性和开放性，即能够随着科技的进步和监测需要11 重庆交通大学硕士毕业论文对系统性能进行升级和扩充。②耐久性和可靠性原则由于监测设备比较精密，在野外恶劣环境及行车振动情况下极易出现松动、锈蚀等损坏，一般在成桥后安装的健康监测系统经过7~8年时间运营后，绝大多数传感器失效。在这些故障中有些是监测设备本身质量问题，有些是由于安装不到位留下的质量隐患,但无论是哪种原因，传感器稳定性和耐久性不足极易导致监测数据失真，造成评估结果不准确。另外，就中小桥梁而言，一旦传感器损坏，检测维修成本相对长期监测系统总费用占比很高，因此应高度重视监测传感器和采集分析设备的耐久性和可靠性。③统一性原则中小桥梁上安装的传感器种类和数量均比较少，为使桥梁长期监测系统集成简单、易于辨别和安装，同时节省监测系统的造价，要求不同监测项目的传感器在满足监测要求的前提下，其原理、安装方法、接线端口等尽量相同或相近，这样不同的监测项目可以采用相同的数据采集分析仪，从而可以减少信号采集设备的数量，降低系统的复杂性，简化整个监测系统。使监测系统的稳定性，经济性和稳定性得到提高。④系统性原则桥梁长期监测系统是一个系统性工程，传感器、数据传输及处理、安全状态评估涉及机械电子信息、通信工程和桥梁工程等学科，其中任何一个环节出现问题，都将造成整个监测系统目标难以实现。因此，各子监测系统必须以总系统目标和功能为核心，而不仅仅是满足各单一子系统的功能。因此各监测子系统传感器的选型和布置必须服从总系统目标和功能的实现。2.2.2简支梁桥传感器优化布置基于监测信息结构状态评估的第一步即是在结构中布设传感器，由于经济和结构运行状态等方面的原因，在整座桥梁的所有自由度上都安装传感器是不可能也是不现实的，因此，就出现n个自由度上如何布置m(m