【摘 要】
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桥梁作为交通运输的枢纽,其安全问题关系到国家经济健康发展及人民生命财产安全。由于环境不利因素及人为作用的影响,服役桥梁出现不同程度的损伤,导致桥梁结构性能退化,严重威胁到交通的正常运营及人身安全。桥梁损伤识别是桥梁健康监测的重要组成部分,已受到了国内外学者的广泛关注,并基于D-S证据理论、小波分析、BP神经网络等方法进行了相关研究,但还面临着受噪声干扰大、对数据挖掘不充分、对损伤的灵敏度有待提高等
【基金项目】
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国家自然科学基金(批准号:51868045):基于信息熵和模态特性的在役混凝土桥梁裂缝扩展机理与诊断方法研究
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桥梁作为交通运输的枢纽,其安全问题关系到国家经济健康发展及人民生命财产安全。由于环境不利因素及人为作用的影响,服役桥梁出现不同程度的损伤,导致桥梁结构性能退化,严重威胁到交通的正常运营及人身安全。桥梁损伤识别是桥梁健康监测的重要组成部分,已受到了国内外学者的广泛关注,并基于D-S证据理论、小波分析、BP神经网络等方法进行了相关研究,但还面临着受噪声干扰大、对数据挖掘不充分、对损伤的灵敏度有待提高等问题。本文以结构的曲率模态、转角及信息熵理论为基础,提出了识别损伤的广义曲率模态信息熵(Generalized Curvature Modal Information Entropy,GCMIE)指标和广义转角差曲率信息熵(Generalized Angle Difference Curvature Information Entropy,GADCIE)指标,为验证其识别损伤的有效性,通过不同截面形式的简支梁数值模拟和简支钢梁试验对指标的实际应用进行了分析;最后将其应用于连续梁的损伤识别中,并对两者识别连续梁损伤的实用性做了对比。主要工作如下:(1)归纳总结了国内外桥梁损伤识别的方法,为本文的研究奠定了基础和方向;另外,介绍了倾角传感器和信息熵理论在桥梁变形及损伤识别中的应用,为桥梁的损伤识别提供了新思路。(2)为识别简支梁的损伤,利用损伤前后曲率模态差结合信息熵深入挖掘数据的优势,提出了识别损伤的GCMIE指标,采用不同截面形式的简支梁对指标识别损伤的结果进行了讨论,并引入高斯白噪声对其抗噪性能进行了分析。研究表明:GCMIE指标可以准确识别出简支矩形钢梁和简支箱形梁桥不同位置、不同程度的损伤,且具有一定的抗噪声能力。(3)为进一步验证GCMIE指标在实际应用中的有效性,通过对简支钢梁开口处理模拟损伤,进行了振动测试试验,并利用ANSYS和MIDAS/Civil有限元软件建立了简支钢梁的数值模型对固有频率进行了分析。研究表明:简支钢梁试验的模态测试结果精度满足实用需求,且GCMIE指标可以准确定位简支钢梁不同损伤位置,具有良好的工程使用价值。(4)针对桥梁结构转角研究较少的问题,利用虚功原理推导了移动荷载位置与转角差的关系,得到损伤区域转角差曲率不为零。为解决实际工程中桥梁出现多损伤时,损伤位置转角差曲率非零值不突出、无损区域转角差曲率不为零对识别结果造成的不利影响,结合信息熵理论提出了GADCIE指标,并给出了定量损伤程度的计算方法。利用ANSYS软件建立不同截面形式的简支梁数值算例,对指标识别损伤的有效性进行验证,并引入噪声对其抗噪性进行了分析。结果表明:GADCIE指标受无损单元的影响较小,能够准确识别简支梁的损伤位置,并具有一定抗噪声能力。(5)基于本文提出的GCMIE和GADCIE指标,对连续梁损伤识别进行了研究,并对两种指标下的识别结果进行了对比分析。结果表明:受支座及无损单元的影响,GCMIE指标的识别效果欠佳,而GADCIE指标能高效、准确地识别出所有损伤并具有一定抗噪声能力。
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