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橋梁健全性評估理論與方法

包郵 橋梁健全性評估理論與方法

作者:單德山
出版社:科學出版社出版時間:2022-10-01
開本: 其他 頁數: 404
本類榜單:工業技術銷量榜
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橋梁健全性評估理論與方法 版權信息

橋梁健全性評估理論與方法 內容簡介

橋梁是交通運輸的樞紐和命脈,在社會經濟發展中起著至關重要的作用。我國的國情是"人多地少",高鐵建設中創新地提出了"以橋代路"的建設模式,橋梁的建設滿足了橋上行車,橋下耕種或修路的需求,優選限度地利用了土地資源,又保證了線路的平直和平順度,得以讓列車安全高速地行駛。然而,橋梁在服役年限內受各種因素的影響,將出現不同程度的損傷和劣化等病害問題!稑蛄航∪栽u估理論和方法》系統地介紹了橋梁健全性評估的內容、理論和方法,包含橋梁結構施工控制基本理論和方法、橋梁結構模態分析理論與方法、橋梁結構損傷識別的基本理論和分析方法,以及橋梁結構健全性評估理論與方法的發展動態和趨勢。書中結合了大量具體的工程實例,突出介紹解決橋梁結構測試問題的思維和分析方法,以及求解工程結構測試問題時的基本建模思路和常用數學方法。

橋梁健全性評估理論與方法 目錄

目錄
前言
第1章 概述與預備知識 1
1.1 橋梁健全性評估的內容和特點 2
1.1.1 智能橋梁結構 2
1.1.2 橋梁結構健康監測 5
1.1.3 智能橋梁結構研究回顧 11
1.1.4 多學科知識融合 21
1.2 橋梁坍塌事故 22
1.2.1 橋梁施工事故 22
1.2.2 橋梁運營事故 25
1.2.3 橋梁地震事故 27
1.2.4 橋梁水毀事故 29
1.2.5 橋梁火災事故 31
1.2.6 橋梁船撞事故 32
1.3 橋梁施工控制與健康監測實例 33
1.3.1 施工控制項目 33
1.3.2 健康監測項目 36
參考文獻 38
第2章 智能橋梁監測系統 44
2.1 系統需求分析 44
2.2 系統總體組成 45
2.3 傳感器系統 46
2.3.1 定義 46
2.3.2 靜態特性 47
2.3.3 動態特性 50
2.3.4 標定 52
2.3.5 應變式傳感器 52
2.3.6 橋梁健康監測系統傳感器選擇 57
2.4 現場總線 59
2.4.1 現場總線的研究歷史 59
2.4.2 現場總線特點 59
2.4.3 現場總線比較 60
2.5 分布式數據采集系統 62
2.5.1 功能 62
2.5.2 組成 62
2.5.3 特點 68
2.6 遠程數據傳輸與控制系統 68
2.6.1 功能 68
2.6.2 組成 68
2.7 智能橋梁健康監測系統實例 71
2.7.1 智能橋梁模型試驗 71
2.7.2 南京大勝關長江大橋健康監測系統 76
2.7.3 瀘州泰安長江大橋健康監測項目 81
參考文獻 85
第3章 橋梁結構施工控制 87
3.1 施工控制概述 87
3.2 施工控制體系 88
3.2.1 硬控制體系 88
3.2.2 軟控制體系 89
3.3 施工控制計算 90
3.3.1 正裝分析 91
3.3.2 倒拆分析 93
3.3.3 無應力狀態法 98
3.4 施工控制方法 112
3.4.1 開環控制 113
3.4.2 閉環控制 113
3.4.3 自適應控制 114
3.4.4 幾何控制法 114
3.5 大跨度橋梁施工控制實例 119
3.5.1 工程概況 119
3.5.2 擬定可行的主梁施工方法 121
3.5.3 主梁施工方法比選 126
3.5.4 確定*優施工方法及其合理施工狀態 136
3.5.5 施工過程隨機多參數敏感性分析 141
3.5.6 施工過程參數識別 151
3.6 基于深度學習的斜拉索索力調整 157
3.6.1 斜拉索索力調整策略 158
3.6.2 大跨度斜拉橋索力調整的工程實例 162
3.6.3 結果分析與討論 165
3.7 斜拉索懸鏈線構形的伸長量解析計算 165
3.7.1 斜拉索伸長量解析解推導 166
3.7.2 工程實例驗證 170
3.7.3 結果分析與討論 172
參考文獻 173
第4章 橋梁結構模態參數識別 176
4.1 模態參數識別基礎 176
4.1.1 單自由度的系統振動 176
4.1.2 不同激勵下頻響函數的表達式 180
4.1.3 頻響函數總結 182
4.1.4 多自由度系統的頻響函數 183
4.1.5 多自由度系統的實模態分析 184
4.2 試驗模態分析 186
4.2.1 單自由度的系統振動 186
4.2.2 激振設備 188
4.2.3 激振函數 189
4.2.4 激振位置 191
4.2.5 測試數據檢驗 192
4.2.6 從測試到分析 192
4.3 運營模態分析 193
4.3.1 頻域方法 194
4.3.2 時域方法 199
4.3.3 時頻域方法 205
4.4 模態參數識別實例 209
4.4.1 工程背景 209
4.4.2 主梁模態參數識別結果 211
4.4.3 斜拉索模態參數識別結果 241
參考文獻 258
第5章 智能橋梁結構損傷識別 260
5.1 概述 260
5.2 損傷識別方法 261
5.2.1 優化識別方法 262
5.2.2 模式識別方法 268
5.3 靜力損傷識別研究 286
5.3.1 靜力損傷識別方法 286
5.3.2 實例分析 288
5.4 頻域損傷識別研究 292
5.4.1 優化識別方法 293
5.4.2 模式識別方法 297
5.5 時域損傷識別研究 313
5.5.1 不完備響應信息的重構 314
5.5.2 優化識別方法 317
5.5.3 模式識別方法 320
5.6 橋梁地震損傷的模式識別 327
5.6.1 識別思路和流程 328
5.6.2 橋梁地震損傷識別示例 330
5.6.3 結果與討論 336
5.6.4 總結 337
5.7 分布式光纖裂縫識別 337
5.7.1 分布式光纖裂縫識別的基本原理 337
5.7.2 分布式光纖裂縫識別試驗研究 341
參考文獻 349
第6章 智能橋梁結構健全性評估 353
6.1 橋梁評估概述 353
6.2 路網級評估 355
6.2.1 DER&U評估法 355
6.2.2 構件評估標準 359
6.2.3 橋梁構件重要性權重 362
6.2.4 綜合評價 363
6.2.5 評價決策 367
6.3 項目級橋梁狀態評估 369
6.3.1 不確定層次分析法 369
6.3.2 群判斷、集值統計和重心決策 373
6.3.3 指標權重確定方法 378
6.3.4 混凝土斜拉橋項目級評估 379
6.3.5 項目級綜合評估 383
6.3.6 指標評估等級和等級隸屬度函數 387
6.3.7 模糊推理原理介紹 389
6.4 橋梁評估流程與指南 390
6.4.1 評估流程 390
6.4.2 評估指南 391
參考文獻 392
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橋梁健全性評估理論與方法 節選

第1章 概述與預備知識 隨著社會生產力的不斷發展,人類對結構物的要求也日益復雜化和多樣化,F代大型結構物,如高層建筑、大跨橋梁、大型水壩、地下建筑等,都要求其能提供更高的強度,更好的可靠性、耐久性及安全性。另外,由于這類大型結構物對整個國民經濟的發展至關重要,現代社會還要求它們應具有更強的防災能力。 傳統結構大多通過提高材料的力學性能、采用合理的結構形式、加強施工管理以及定期評估與維護等傳統手段來滿足這些要求。然而,這些傳統的手段均屬于消極被動的方式,一旦將結構物建成并投入使用,便失去了對結構的全面控制,結構失效、結構災害的發生便不以其設計者、建造者、使用者和管理者的意志為轉移,對其行為的預測及防范工作都將是十分困難的。 考察眾多結構物災害實例,發現在整個結構設計壽命期內,結構物都有可能發生結構失效,原因如下。 (1) 結構抗力的衰減、損傷積累等導致結構強度及可靠性降低。 (2) 材料老化、腐蝕及力學性能的劣化(如徐變等)等導致結構耐久性失效。 (3) 施工質量低劣或使用不當給結構帶來隱患以及損害。 (4) 結構長期遭受動荷載作用而造成疲勞失效。 (5) 偶然荷載(如地震荷載、爆炸沖擊荷載等)造成的結構損傷。 以上這些原因都對傳統設計方法在結構強度及安全性上提出了更高的要求。因此,對建筑結構進行實時監測,并由結構自身做出智能反應就顯得十分重要了。 現代材料技術的發展使人類社會進入信息時代,信息材料的生產已實現設計制造一體化。各種具有信息采集及傳輸功能的材料及元器件正逐漸進入土木工程師的視野。人們開始嘗試將傳感器、作動器緊密地融合于結構中,同時將各種控制電路、邏輯電路、信號放大器、功率放大器以及現代計算機集成于結構大系統中。力、熱、光、化學、電磁等激勵和控制,使結構不僅有承受建筑荷載的能力,還具有自感知、自分析計算、自推理及自控制的能力。具體說來,結構將能進行參數(如應變、損傷、溫度、力、聲音、化學反應)的監測及監測數據的傳輸,具有一定的數據實時計算處理能力,包括人工智能診斷推理,以及初步改變結構應力分布、強度、剛度、形狀位置等能力。簡而言之,即使結構具有自診斷、自學習、自適應、自修復的能力。這就是智能土木結構概念的形成過程。 智能土木結構的概念是為解決評估結構強度、完整性、安全性及耐久性問題而提出的。對土木建筑的結構行為或響應進行監測,并對結構性能進行預測,不僅能降低維修費用,而且能確定結構是否安全有效地使用和運營。在結構內部埋入傳感器,組成傳感陣列網絡,以實時監測結構承受的荷載及結構響應行為。智能土木結構目前主要應用于高層建筑、橋梁、大壩等工程領域。 根據智能材料和智能結構的定義,結合橋梁結構的實際狀況,將智能橋梁結構[1]定義為:將智能元件如傳感器等嵌入橋梁結構中,能使橋梁結構具有感知和處理信息的能力,使橋梁結構具有自監測、自診斷、自適應和仿生功能,確保橋梁結構在外部環境和車輛荷載的作用下安全可靠。即智能橋梁結構是以橋梁結構為平臺,通過結構行為監測、環境監測、交通監控、設備監控、綜合報警、信息網絡及數據分析處理諸系統以及它們之間的*優化組合,向管理者提供一套對橋梁結構長期實時使用狀態綜合監控的信息,以提高橋梁結構的整體管理技術水平,確保橋梁安全運營,診斷橋梁病害并延長橋梁使用壽命[2]。 橋梁結構健康監測系統[3]通過通信傳感設備實時自動采集運營橋梁的響應信號,即車輛荷載、風荷載、溫度荷載、環境隨機振動下結構的各種真實響應;然后采用數學與計算機方法分析處理信號數據,得到各種結構響應的特征值和閾值,如模態頻率、阻尼比、*大位移值、*大應力值等;再將測得的這些關鍵數值與相應設計限值比較,作為橋梁結構實時預警與安全狀況評定的依據,進而為橋梁管養維護提供決策。 1.1 橋梁健全性評估的內容和特點 1.1.1 智能橋梁結構 1. 定義 橋梁作為客觀存在的物質,有它特有的生命周期過程,它的“生老病死”同人類一樣,是客觀的自然規律。如果能在災難來臨之前進行預測,對橋梁的損傷進行監測,從而對橋梁的健康狀況給出評估,將會大大降低事故發生的概率,智能橋梁結構的概念應運而生。 目前,學術界比較統一的關于“智能橋梁結構”的概念及其定義為:橋梁結構中因存在部分智能材料子結構或智能材料,而具有自監測、自診斷、自適應或自修復等仿生功能,從而能極大地滿足人們對其安全性及維護方便性等方面的要求,就稱為智能橋梁結構。即使得橋梁結構具有某種程度的“智能”,能夠隨時掌握橋梁結構的內力狀態及損傷等“健康”情況,在橋梁結構危險萌芽階段發出預警,從而保障橋梁安全運營,顯著降低橋梁總體運營成本。 2. 組成 傳統的土木結構是一種被動結構,一旦設計、施工完成后,其性能及使用狀態將很大程度地存在不可預知性和不可控制性,這將給結構使用和維護帶來不便。為了解決這一問題,發展了在線監測結構,它賦予傳統土木結構在線監測功能,從而為掌握結構內部性能打下了基礎,使人們可以方便地了解結構內部物理、力學場的演變情況,即為結構智能化的**層次。在此基礎上,進一步增加監測數據的智能處理機制,使得結構具有自感知、自診斷、自推理的能力,從而使結構實現第二層次的智能化。進一步在結構中引入自適應及自動控制機制,即根據自診斷、自推理的能力,由在結構中耦合的作動系統做出必要的反應,從而實現智能控制結構,這就是第三層次的智能化。例如,對結構開裂、變形行為,對鋼筋銹蝕、結構老化和損傷行為,對結構動力行為,做出抑制性控制,在更高層次上對結構起到保護和維修作用。 從系統工程的觀點來看,要想對橋梁結構做出正確的健康狀態評估,首先要確定監測目標,可以通過分析結構所面臨的危險、各項危險發生的概率以及危險所導致后果的嚴重程度(危險性分析或易損性分析),針對不同的危險采用不同的監測策略和手段,在降低系統造價的同時達到預期監測效果。確定了監測目標后,根據健康監測系統的功能需求進行總體設計。總體設計完成后,就形成智能橋梁結構的總體框架結構,如圖1-1所示。 圖1-1 智能橋梁結構的總體框架結構 由圖1-1可以看出,一個完整的智能橋梁結構至少應該包括三個部分:監測子系統、診斷子系統、評估子系統。其中,監測子系統由傳感器、數據采集與傳輸﹑數據處理與控制等模塊組成,完成對橋梁結構狀態參數(如應變、結構溫度場、索力、變形、支座反力等)以及環境參數(如溫度濕度、氣象條件等)的采集、調理、預處理、傳輸等工作,并向后續子系統提供有效的監測數據。隨著現代科技的發展,監測子系統已經具有自動采集、實時監測等智能化功能。診斷子系統由數值模型、系統識別和模型修正、結構狀態與損傷識別等模塊組成,它根據監測數據對結構狀態進行識別,應用損傷診斷理論,得到結構損傷信息。評估子系統包括橋梁強度儲備和可靠性分析、系統狀態評估及壽命預測、橋梁維修和養護對策等模塊,對橋梁結構損傷診斷結果進行評估與評價,從而獲得橋梁結構健康狀態水平,對危險狀態進行預警,并提出解決方案。 3. 特點 智能橋梁結構不僅是數據的自動采集,同時與目前橋梁常用的判定橋梁運營及安全狀態的人工巡檢、現場荷載試驗等方法有機地結合,相互補充。表1-1列出了目前橋梁常用的評估結構狀態的主要方法與步驟,同時給出了各自的優點和缺點。 表1-1 橋梁常用評估結構狀態的方法 智能橋梁結構,在結構安全或功能的臨界區域及損傷可能發生的部位安裝傳感器,測量結構關鍵參數,經常(或連續)對結構進行監測與控制,獲得足夠多的評判結構功能的樣本數,可更為準確地描述結構工作狀態,確保結構運營狀態安全可靠,為設計、養護等規范的制定與修改提供理論基礎,同時指導實際橋梁的建設,提高橋梁的安全性、耐久性和舒適性,使得橋梁更好地為我國經濟建設服務。 一個理想的智能橋梁結構系統,應能協助橋梁運營管理部門進行決策并回答圖1-2中的所有問題,確保未來結構管理中采用優化方案,如合理安排巡檢、養護和維修。由圖1-2可知,智能橋梁結構并不排斥既有橋梁常用的結構狀態評估方法,而是將兩者有機地結合,彌補它們的不足。此外,智能橋梁結構具有如下優勢。 圖1-2 智能橋梁決策流程 (1) 可以按橋梁技術與管理部門的需要進行足夠次數的采樣,確保準確地評估橋梁結構的運營狀態。 (2) 根據測試結果,對橋梁結構的損傷進行定位,并結合無損探傷技術確定損傷程度,從而對結構可能出現的損傷進行預防。 (3) 確定維修養護策略的基礎。 (4) 經常性地反饋維修效果。 (5) 評價未來所需的巡檢、額外的現場荷載試驗或實驗室試驗。 (6) 降低專門巡檢或荷載試驗所需的總體費用和干擾交通的限制。 4. 目的 為了保障橋梁結構的安全性﹑完整性和耐久性,防患于未然,防微杜漸,需對既有橋梁結構采用有效的手段來監測和評估其健康狀態。即應用現代化的傳感技術、測控技術、計算機技術、現代網絡通信技術對橋梁的工作環境、結構狀態、在各類外荷載因素作用下的響應進行實時監測,及時掌握橋梁結構的工作狀態,全面了解其運營條件及退化狀況,實時地評估結構的健康狀況,為橋梁的運營管理、養護維修、可靠性評估以及科學研究提供依據,使得橋梁更好地為我國經濟建設服務。 1.1.2 橋梁結構健康監測 作為一個新的領域,土木工程結構的監測獲得了極大的關注。監測的主要目的是準確有效地檢測結構長期行為或極端事件(如地震、爆炸等)引起的損傷,確保橋梁結構的使用安全。監測應能夠及時發現任何可能引起橋梁退化的條件和行為,并采取恰當的處理措施,裁定結構是否安全或可能失效。在施工過程中,監測系統能夠驗證設計和施工過程的假設;在橋梁建設和修復中,監測還可對所使用的新材料和技術進行性能評價。隨著傳感、通信等技術的發展,橋梁結構遠程監控已經成為現實。 1. 智能橋梁示例或試驗平臺 為研究智能結構所具有的專門屬性,在綜合結構健康監測技術信息的前提下,2003年威斯康星州運輸部(Wisconsin Department of Transportation,WDOT)與聯邦公路局(Federal Highway Administration,FHWA)在項目0092-04-14中資助了威斯康星州公路研究計劃。艾奧瓦州立大學(Iowa State University)交通研究和教育中心橋梁工程中心經過全面的信息收集和研究,對所確定的結構健康監測技術(包括目前正在使用的和即將出現的)進行了認真回顧和總結[4, 5]。 為提高橋梁巡檢和維修技術,并更好地理解橋梁行為,作為聯邦公路局提高目前橋梁監測技術計劃的一部分,特拉華(Delaware)州立大學與特拉華州運輸部,于2003年聯合開發了**座智能橋梁[6](圖?1-3),在橋梁上安裝不同的主流傳感器并應用新的創新傳感技術。研究指出:高度儀表化的智能橋梁可為后來具體的智能橋梁提供一種模式,并希望該橋能作為未來美國智能橋梁的模板,工程師可以使用特拉華州在智能橋梁上的研究,來確定哪些傳感器和數據采集系統是*合適的。 圖1-3 特拉華州**座智能橋梁Las CrucesI-10橋 2006年,DeWolf等[7]討論了在美國康涅狄格(Connecticut)州橋梁網絡中,監測系統的計劃、設計和安裝問題。在當前的監測技術水平下,為解決不同橋梁長期監測系統的設計問題,研發了一套通用指南。采用應變、溫度、傾斜和振動傳感器,針對每一座橋使用該指南進行各自的監測系統設計。以正常交通為激勵,進行連續檢測。作者給出了四座橋梁的運營監測結果。其目的是使用長期監測數據來了解橋梁長期行為,并從監測系統獲得的數據建立長期結構健康監測的基礎。 2006年,在佛羅里達(Flor

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