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　　【摘要】： 施工監控、荷載試驗及運營健康監測是大型橋梁結構從施工到運營期間不可或缺的組成部分,分別為橋梁的設計、施工、使用和維修決策提供性能、狀態信息和科學依據。三者在時間上順次銜接,在監測內容、監測手段、技術路線上有相同之處,在監測設備及監測信息上有共享內容。將三者綜合考慮進行三位一體設計、建立橋梁全壽命監測系統,無論是從經濟角度還是從監測系統的完整性、監測信息的銜接等方面來說,均是最合理的。本文綜合分析了國內外大型橋梁監測系統及性能分析、安全評定研究現狀,以東營黃河公路大橋為工程依托,提出、設計和實現了大跨度剛構-連續梁橋施工監控、荷載試驗及運營健康監測等三位一體的全壽命監測系統,比較深入系統地分析了各階段的監測數據與結構狀態性能,解決了一些相關的關鍵科學技術問題。主要研究內容如下: 第一,本文提出、規劃和設計了剛構-連續梁橋的全壽命監測系統。通過對監測系統方案進行成本-投資分析,確定了橋梁全壽命監測系統的目標、功能要求與設計準則;在此基礎上,分施工監控、荷載試驗及運營健康監測等三個階段詳細介紹了剛構-連續梁橋全壽命監測的項目與內容,對傳感器尤其是應變及溫度傳感器的選型原則及標準進行了說明,對測點優化選取問題進行了分析;立足于元件共享及信息共享,規劃、分析、設計和實現了全壽命監測建成系統。 第二,針對關鍵內力及線形控制目標,進行了橋梁施工過程力學狀態參數敏感性分析。從混凝土材料特性、預應力及預應力損失、構件幾何特性、施工臨時荷載、環境條件幾個方面共選取了15個狀態參數,分析了它們的變異性。根據施工過程及長期運行狀態下結構線形順適及內力均勻合理的總體要求,確定了施工與成橋狀態的4個控制目標。通過調整狀態參數并進行大量的結構計算,得到了控制目標值并對其進行了歸一化處理,分析了控制目標對于各狀態參數的敏感程度,最終確定了不同控制目標下的主要狀態參數及次要狀態參數�；�于混凝土材性實驗,利用混凝土主要參數的實驗值對結構模型直接進行修正,并利用靜載試驗及模態實驗檢驗了該模型修正方法的有效性。 第三,將灰色控制理論、卡爾曼濾波法及神經網絡方法引入到主梁懸臂施工線形控制中,并對三者的線形控制效果進行了比較分析。將各梁段的撓度數據理論值與實測值的比值、差值分別作為狀態變量建立灰色系統模型,根據數據預處理方式、模型反饋校正方式的不同,共建立8種灰色系統模型分別進行撓度預測及線形控制,比較東營黃河公路大橋3個“T構”施工監控的實測數據,對8種模型的控制效果進行了比較分析。將梁段撓度作為狀態變量,引入了一個遺忘因子,進行了自適應卡爾曼濾波,通過一步預測進行線形控制。根據現場經驗及觀測數據分析,建立了一個BP神經網絡模型進行撓度偏差預測。將8種灰色理論模型中控制效果最好的差值型-預處理數據-新陳代謝GM(1,1)模型與卡爾曼濾波及神經網絡模型進行了比較分析。 第四,對大型剛構-連續梁橋的溫度及溫度效應進行了全面、系統的分析。在施工過程中,選取典型斷面進行了溫度場試驗,并對最大懸臂狀態的T構主梁的線形進行了同步觀測,總結了溫度梯度及其兩個主要參數的變化規律,將三維溫度場問題簡化為一維溫度梯度問題。對運營監測系統記錄的季節溫度及溫度梯度進行了概率統計分析,并擬合了它們的概率密度函數;對兩者標準值引起的結構應力效應與規范規定的溫度梯度模式效應進行了對比,進一步將季節溫度和溫度梯度的組合效應與設計汽車荷載效應進行了比較。以溫度作為輸入矢量,以模態頻率作為輸出矢量,建立了基于單截面溫度分布和多截面溫度分布的兩種BP神經網絡模型,進行擬合及預測效果的對比分析。對同一地區的氣象溫度數據進行了分析,將氣象溫度與監測系統記錄的溫度數據的統計參數進行了對比。 第五,基于監測系統記錄的多類別監測信息和蒙特卡羅法,對大型剛構-連續梁橋全壽命期間的時變可靠度進行了定量分析。在結構抗力方面,對28天混凝土強度進行了統計分析及K-S假設檢驗,確定了其服從的概率分布函數;基于應力時程曲線,對結構的疲勞損傷進行了分析,進而對既有混凝土強度經時變化模型進行了修正。在恒載效應方面,對應變的實測值與理論值的相對偏差進行了統計分析。在活載方面,對作用于結構的車輛數及車重進行了分析、假設檢驗,確定了其概率分布規律。結合溫度數據的統計分析結果,進行了基于監測荷載和基于設計荷載兩種荷載模式的結構失效概率數值模擬計算,對比分析了兩種荷載模型下的主要失效區域、失效概率大小,對失效原因進行了闡述,并分析了可靠度的時變性。 【關鍵詞】：剛構-連續梁橋 全壽命監測系統 施工監控 溫度效應 時變可靠度
【學位授予單位】：哈爾濱工業大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：U446
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2009.061035
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-19
• 第1章 緒論19-42
• 1.1 剛構-連續梁橋的歷史、現狀及主要特點19-22
• 1.2 選題的背景與研究目的、意義22-28
• 1.2.1 選題背景22-23
• 1.2.2 研究的目的和意義23-28
• 1.3 國內外研究現狀及發展趨勢28-37
• 1.3.1 國內外橋梁全壽命監測系統的應用與實踐28-31
• 1.3.2 基于全壽命監測系統的橋梁狀態評估與性能分析31-37
• 1.4 本文依托工程簡介37-39
• 1.5 問題的提出及本文的主要研究內容39-42
• 1.5.1 全壽命監測存在的主要問題39-40
• 1.5.2 本文主要研究內容40-42
• 第2章 大跨剛構-連續梁橋的全壽命監測系統設計42-74
• 2.1 引言42-43
• 2.2 全壽命監測系統的目標、功能要求與設計準則43-44
• 2.2.1 目標與功能要求43
• 2.2.2 全壽命監測系統的設計準則43-44
• 2.3 全壽命監測系統的監測項目與內容44-47
• 2.3.1 施工監控中的監測項目與內容44-45
• 2.3.2 荷載試驗中的監測項目與內容45-46
• 2.3.3 運營健康監測中的監測項目與內容46-47
• 2.4 傳感器的選型及優化布設47-58
• 2.4.1 傳感器（測量儀器）的選型47-50
• 2.4.2 測點的優化選取50-58
• 2.5 全壽命監測系統的架構設計58-61
• 2.5.1 橋梁全壽命監測系統的總體設計及資源共享58-60
• 2.5.2 運營健康監測光纖光柵傳感器的選取及共享60-61
• 2.6 東營黃河大橋全壽命監測系統的組成及系統集成61-72
• 2.6.1 傳感器系統61-62
• 2.6.2 數據采集系統62-66
• 2.6.3 數據管理系統66-71
• 2.6.4 評定與決策系統71-72
• 2.7 本章小結72-74
• 第3章 施工過程參數敏感性分析及模型修正74-99
• 3.1 引言74-75
• 3.2 剛構-連續梁橋施工過程的狀態參數分析75-80
• 3.3 參數敏感性分析步驟及控制目標的選取80-83
• 3.3.1 參數敏感性分析步驟80-82
• 3.3.2 參數敏感性分析控制目標82-83
• 3.4 參數敏感性分析83-93
• 3.4.1 控制目標1 下的參數敏感性分析83-85
• 3.4.2 控制目標2 下的參數敏感性分析85-87
• 3.4.3 控制目標3 下的參數敏感性分析87-91
• 3.4.4 控制目標4 下的參數敏感性分析91-93
• 3.4.5 參數敏感性分析總結93
• 3.5 基于材料性能試驗的模型修正93-97
• 3.5.1 施工中材料性能試驗94-95
• 3.5.2 模型修正及其效果檢驗95-97
• 3.6 本章小結97-99
• 第4章 大跨剛構-連續梁橋懸臂施工線形控制方法的比較研究99-127
• 4.1 引言99-100
• 4.2 最優立模標高的確定100-103
• 4.3 灰色系統理論方法及其在懸臂施工線形控制中的應用103-116
• 4.3.1 灰色系統理論簡介103-104
• 4.3.2 數據生成及灰色系統GM(1,1)建模104-106
• 4.3.3 灰色系統建模技術改進106-108
• 4.3.4 懸臂施工線形控制中灰色系統模型的建立108-109
• 4.3.5 灰色系統模型預測效果的比較分析109-116
• 4.4 自適應卡爾曼濾波法在懸臂施工線形控制中的應用116-121
• 4.4.1 基本離散線性系統的Kalman濾波116-118
• 4.4.2 自適應Kalman濾波在線形控制中的應用118-121
• 4.5 基于神經網絡方法的撓度預測及線形控制121-122
• 4.6 三種控制理論預測結果的比較分析122-125
• 4.7 本章小結125-127
• 第5章 大型剛構-連續梁橋全壽命期間溫度及溫度效應分析127-161
• 5.1 引言127-128
• 5.2 施工期溫度場實驗及分析128-136
• 5.2.1 溫度場實驗設計128-130
• 5.2.2 溫度場及其效應分析130-136
• 5.3 運營橋梁結構溫度分布規律分析136-142
• 5.3.1 季節溫度測量及概率統計分析136-139
• 5.3.2 溫度梯度的概率統計分析139-142
• 5.4 運營期間溫度效應監測與分析142-147
• 5.4.1 溫度應力計算及比較分析142-145
• 5.4.2 運營期間溫度應變監測145-147
• 5.5 溫度對模態頻率的影響分析147-155
• 5.5.1 溫度-模態頻率訓練樣本的選取147-149
• 5.5.2 溫度-模態頻率神經網絡模型的建立149-152
• 5.5.3 模型擬合及預測效果分析與檢驗152-155
• 5.6 氣象溫度分析155-159
• 5.6.1 溫度監測數據與氣象數據的比較分析155-157
• 5.6.2 橋梁運營環境大氣溫度分析157-159
• 5.7 本章小結159-161
• 第6章 基于多類別監測信息的運營橋梁結構可靠度分析161-189
• 6.1 引言161-163
• 6.2 功能函數的選取及極限狀態方程的構建163-164
• 6.3 抗力及荷載隨機變量分析164-182
• 6.3.1 橋梁結構抗力及荷載的不確定性164-165
• 6.3.2 抗力的隨機性分析165-168
• 6.3.3 基于疲勞監測及分析的混凝土強度經時模型修正168-174
• 6.3.4 恒載內力的隨機性分析174-178
• 6.3.5 車輛荷載的隨機性分析178-182
• 6.4 結構時變失效概率的蒙特卡羅方法求解182-187
• 6.4.1 蒙特卡羅法計算流程182-183
• 6.4.2 運營期橋梁結構失效概率分析183-187
• 6.5 本章小結187-189
• 結論189-192
• 參考文獻192-204
• 攻讀學位期間發表的學術論文204-206
• 致謝206-208
• 個人簡歷208