基于監(jiān)測信息統(tǒng)計分析的橋梁結構安全評價研究.pdf

1、橋梁結構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。因此橋梁結構的安全問題一直都被學術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)兩次檢測間隔內結構的任何問題，已遠不能適應橋梁的高速發(fā)展形勢，因此結合信息技術和力學理論的橋梁結構健康監(jiān)測技術越來越受到關注和重視并取得了一些進展。然而，作為結構健康監(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構模型和確定的激勵。在實際應用中，舊橋資料的嚴重缺失和橋梁結構參數(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。鑒于橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)采集了大量蘊涵結構損傷特征信息的結構響應歷史數(shù)據(jù)，有人對不依賴結構模型的評價方法進行了探索，試圖通過對結構響應的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，挖掘出結構安全信息和結構性能的演變規(guī)律，從而完成橋梁結構的安全評價。這種基

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

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

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

6、效應。從而在復雜的歷史數(shù)據(jù)中提取了反映橋梁結構安全狀況的活載效應和劣化效應等評價量信息。 (3)根據(jù)結構劣化效應和活載效應歷史信息的統(tǒng)計特點，在詳盡分析了各種控制圖性能的基礎上，將橋梁結構可靠度理論與EWMA控制圖方法相結合，設置了安全評價的初級預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外的分布來判斷橋梁結構的安全情況。為進一步減小控制圖評價的虛警率和漏警率，以統(tǒng)計分析技術為手段，利用相對幅度指標WRI和相對強度指標R

7、SI反映評價變量在某一周期內的單向變化程度并進行安全評價。在此基礎上，針對橋梁結構安全評價的復雜性和測量信息的不確定性，根據(jù)EWMA控制圖和統(tǒng)計指標的初步評價結果，構造了融合證據(jù)的基本概率分布，并基于D-S證據(jù)理論，用改進的融合方法進行融合，通過綜合評價來進一步提高橋梁結構安全評價的確定性。 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)了相應的評價軟件并進行了實際應用。 結果表明：通過小波分析

8、和相移回歸分析，可從橋梁結構響應的歷史數(shù)據(jù)中有效提取反映橋梁結構安全狀況的活載效應和劣化效應信息；利用EWMA控制圖結合結構可靠度理論，通過對活載效應和劣化效應信息的統(tǒng)計分析，可有效進行橋梁結構安全的初步評價，并可用相對幅度指標WRI及相對強度指標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果進行信息融合，進一步提高了安全評價的有效性和確定性，獲得橋梁結構安全的綜合評價情況。從而克服了基于模型進行評價的巨大缺陷。