基於健康監測的橋樑結構多尺度損傷預後方法研究

中文摘要

我國橋樑結構正面臨複雜服役環境和多災害荷載共同作用所導致的損傷加速演化的進程，應該治結構之未病、防患於未然。本課題試圖將橋樑健康監測和結構多尺度損傷預後結合起來，研究橋樑結構多尺度損傷預後過程中環境因素和結構參數的不確定性描述，研究橋樑結構多尺度損傷模擬、損傷模型修正及模型確認方法，建立基於模型的橋樑結構多尺度損傷預後方法；進一步地，研究基於小波神經網路技術的數據驅動損傷預後方法，建立聯合基於模型和數據驅動的橋樑結構多尺度損傷預后綜合方法；以獨塔斜拉橋模型的地震模擬振動台試驗和實橋健康監測系統驗證平台，來驗證上述多尺度損傷預後方法的有效性和可靠性。本課題研究成果可用於預測預報橋樑結構的安全可靠性和潛在損傷的危害，指導橋樑預防性養護決策，對橋樑健康監測和安全評估具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

目前，以保障橋樑安全運營為目標的結構健康監測系統與橋樑業主的預期還存在一定差距；其主要原因在於目前健康監測多是事後的損傷識別(Damage Detection-DD)而不是事前的損傷預後（Damage Prognosis-DP）。DD和DP的本質區別在於：DD是基於確定性監測數據來進行損傷識別，而DP是基於歷史監測數據預測可能發生的損傷及其影響，主要涉及結構的不確定性和預測結果可靠性驗證。損傷預後的主要目的是提醒業主在損傷發生之前就採取必要的技術措施來減輕結構損傷或者制止可能的災難性破壞的發生，而不是要等到結構損傷發生以後才發現。本項目的特色是將結構多尺度損傷模擬分析與健康監測數據反演損傷特徵相結合，來達到橋樑結構損傷預後的目的；主要研究內容如下：（1）複雜服役環境下橋樑結構參數、荷載與環境的不確定性分析；（2）橋樑結構多尺度損傷模型修正及模型確認方法；（3）基於模型確認的橋樑結構多尺度損傷預後方法；（4）數據驅動的橋樑結構損傷預後方法；（5）橋樑結構多尺度損傷預後方法的可靠性驗證及套用。項目研究取得的主要成果如下：（1）建立了灌河大橋環境溫度、車輛荷載及結構回響的參數不確定性量化模型；（2）基於WIM監測建立了江蘇省高速公路橋樑汽車荷載模型、疲勞荷載模型和重車疲勞荷載模型，可為新橋設計和舊橋加固設計提供依據；（3）開展了大跨度斜拉橋模型的地震模擬振動台多台陣試驗研究，積累了大量的試驗數據，可為結構損傷預後方法提供必要的試驗驗證；（4）建立了基於兩階段回響面的結構多尺度模型修正&確認方法；（5）建立了基於區間回響面模型的有限元模型修正和確認方法；（6）基於學習原理，建立了斜拉橋拉索隨機損傷預後的隱式BP神經網路方法；（7）提出了基於數據驅動的大跨度斜拉橋安全預后綜合方法；（8）建立了基於小波神經網路和多尺度模型的斜拉橋鋼主梁疲勞損傷預後方法；（9）建立了複雜環境作用下基於機率盒的斜拉橋損傷預後方法；（10）在研究超材料梁減振性能的基礎上，探討了超材料結合梁斜拉橋的損傷預後方法。在國內外學術刊物上發表了10篇SCI檢索論文、15篇EI檢索論文；發明專利4個（1個授權、3個受理）；獲得福建省科技進步二等獎一項。在人才培養方面：已畢業博士生4名、畢業碩士生8名。項目研究成果在京滬高速新沂河大橋、瀋海高速灌河大橋以及長深高速淮安大橋等的監測與評估中得到了推廣套用

基於健康監測的橋樑結構多尺度損傷預後方法研究

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