PS序列最不利工况法城市桥梁损伤时空探测研究

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随着我国经济和城市化进程快速发展,国家大力发展交通基础设施。城市桥梁作为交通基础设施的枢纽,其结构的安全性对保护国民经济和人民财产安全有重要作用。近年来,在交通拥堵、车辆超载、环境恶化、气候灾变等耦合因素影响下,城市桥梁运营安全风险显著增加,轻则病害严重、重则快速老化,甚至是突然坍塌。因此,城市桥梁形变监测以确定桥梁损伤的位置及损伤时间至关重要。PS-In SAR具备高精度、高空间分辨率、全天候等优点,是当前城市桥梁形变监测中常用的技术手段。PS-In SAR城市桥梁监测获取的PS点序列包含时间、经纬度坐标、形变值、沉降速率等信息,可以有效的实现城市桥梁的形变分析。但是,PS-In SAR城市桥梁监测存在PS点序列稀疏、分布不均等问题,难以准确判定城市桥梁损伤的时间和位置。针对该难题,本文提出了PS序列最不利工况的城市桥梁时空损伤探测方法,通过城市桥梁“潜在损伤区域探测”、“损伤位置PS点序列估计”和“最不利工况损伤时间和位置判定”的创新思路,实现基于PS点序列的城市桥梁时空损伤探测,主要研究内容及成果如下:(1)针对利用PS序列难以准确获取城市桥梁潜在损伤区域的问题,本文建立了基于格林样条函数插值的桥梁三维形变场构建方法,根据三维形变场的漏斗中心探测城市桥梁潜在损伤区域。使用二次多项式曲面插值法、薄板样条插值法和格林函数插值法对比分析,实验结果表明,格林样条函数的最大绝对误差值和误差平方和更小,拟合精度更高,格林样条函数插值构建桥梁三维形变场方法可以更准确的获取基于PS序列的城市桥梁潜在损伤区域。不仅如此,该方法可以将散乱分布的PS点格网化,将二维形变转变为三维空间形变场,从而从宏观角度分析判断城市桥梁的形变。(2)针对城市桥梁潜在损伤区域PS点稀疏导致损伤位置PS点估计不可靠的问题,本文提出了窗口邻域约束反距离加权插值(Inverse distance weighted,IDW)的城市桥梁损伤位置PS点估计法,提高城市桥梁损伤位置PS点的估计精度。采用基于窗口邻域的改进IDW法获取桥梁潜在损伤位置(桥墩点、梁体两侧点和路基两侧点)的PS序列,通过实验法确定窗口邻域约束IDW的最佳插值计算点数量阈值。实验结果表明,当插值计算点数量阈值等于60时,可以实现城市桥梁损伤位置PS点序列的最佳估计。(3)针对城市桥梁单个PS点序列难以确定因桥梁潜在损伤位置差异性沉降引起的桥梁损伤时间和位置的问题,提出了最不利工况城市桥梁损伤时空探测方法,以准确获取城市桥梁损伤的时间和位置。采用两种最不利工况模型对桥梁潜在损伤位置PS点序列进行差异性沉降计算;最不利工况I模型计算单个PS点序列的最大沉降速率得到桥梁最不利沉降时间范围,最不利工况II模型计算相邻PS点序列的最大差异沉降得到桥梁最不利沉降准确的时间及位置。利用最不利工况城市桥梁损伤时空探测方法对苏州桥D匝道展开实验分析,得到苏州桥D匝道桥2017年7月1日桥墩3D~4D段发生较大差异沉降导致损伤。实验结果表明,最不利工况城市桥梁损伤时空探测方法可以有效确定桥梁损伤时间和位置。综上所述,本文提出基于PS点序列的最不利工况法城市桥梁时空损伤探测方法。首先通过格林样条函数插值法构建了桥梁三维形变场,实现了定位桥梁潜在损伤区域的目的;其次提出了窗口邻域约束IDW法潜在损伤位置PS点序列估计,提高了损伤位置PS点序列精度;并在实现桥梁潜在损伤位置PS点序列估计后,提出了最不利工况城市桥梁损伤时空探测方法,实现确定桥梁损伤时间及位置的目的。最后以北京市苏州桥损伤探测为例验证本文方法可信性及有效性。本文研究成果可为城市桥梁损伤探测和日常维护提供可靠依据,具有重要的理论意义和应用价值。
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