大型桥梁结构健康监测的研究进展

桥梁管理局已经认识到,对大型桥梁实行长期结构健康监测的意义在于保证结构和运行安全,发出损坏和老化的早期预警可以避免昂贵的维修甚至灾难性的坍塌。对大型桥梁建立长期监测系统,一方面是在桥梁正常使用期内评估结构完整性、耐久性、可靠性的信息,制定最佳的维护计划,保证安全运行。     

香港缆索桥结构健康监测系统

在桥梁健康监测系统中,用结构管理部门的共识.文中阐述了3座世界级缆索吊桥结构健康监测系统的计划和实施情况.自从1997年开展这项工作以来,已搜集了大量的数据和资料.一座跨径为1018 m的斜拉桥将于2008年完工,届时目前的监测系统将与该桥连接.     

公路钢桥疲劳车辆荷载研究进展

车辆荷载反复作用下的疲劳损伤是影响钢桥运营安全和耐久性能的重要控制因素.新桥疲劳设计和既有桥梁评估应采用疲劳荷载.目前我国的桥梁规范还没有疲劳车辆荷载的取值规定.本文详细阐述了我国桥梁疲劳车辆荷载的疲劳设计状况和研究现状,系统介绍了几个发达国家桥梁疲劳车辆荷载的规范规定及其最新研究进展.本文还就建立适合我国国情的基于动态车辆称重WIM(Weigh-in-Motion)数据的车辆疲劳荷载模型或荷载谱作了初步的探讨性研究.     

基于小波分析大跨度悬索桥的结构健康监测

在土木结构,如大跨度桥梁,在关键岗位局部损坏的使用寿命可能会不断累积,并可能最终导致他们的突然失效。全球基于振动健康的一个核心问题监测方法是寻求一些对结构性损坏敏感的伤害指标。论文提出了一种针对大跨度悬索桥的在线结构健康监测方法,即利用小波变换的方法。该基于利用小波变换的方法是基于结构的环境振动反应的能量变化烂掉的小波分析。这种方法的主要特点是,所提出的小波能量谱有能力检测出由大跨度悬索桥的环境振动测试造成的结构损伤。作为一个示例,小波能量谱为基础的健康监测系统被用于日常环境条件下的润扬大桥悬索桥。该分析表明,环境温度变化对小波能量谱长期影响,而流量的效果在测量桥的小波能量谱载荷呈现出由于非平稳性质的负荷引起的瞬时变化。该状态指示指数性病反映环境温度对动态特性的润扬大桥悬索桥的影响。现场测试表明,该波包能量谱为基础的状态指示指数对于处于激励环境下的大跨度悬索桥的健康监测是一个很好的候选指数。     

高速公路钢桥在地震荷载下的疲劳评估

在概率论的前提下,运用线弹性断裂力学的方法研究高速公路桥钢梁在地震荷载作用下的疲劳特性。第一部分介绍的疲劳破坏是由经过桥面的重型卡车的车辆荷载引起;第二部分介绍的疲劳破坏由地震荷载引起。两种类型的破坏都使用线弹性断裂力学方法进行分析,并计算了最初裂缝发展的时间。考虑到在桥梁的使用年限里通常不同时考虑疲劳效应和地震效应,提出的方法能更好地理解桥梁由疲劳引起的逐渐破坏现象,并对如何延长地震区众多钢桥梁的疲劳寿命提出一些建议。     

薄壁工字形钢梁在小片荷载偏心作用下的承载力

引用国外最新的试验研究,对薄壁工字形钢梁在小片荷载偏心作用下的承载力问题进行了研究。数值分析结果与国外最新试验数据吻合良好。研究表明,影响薄壁工字形钢梁在小片荷载偏心作用下承载力的主要参数是腹板的厚度、屈服强度、荷载偏心值以及荷载作用长度,对这些参数都进行了定量的分析。基于国外已有的关于中心加载情况下的半经验公式和数值分析结果,提出了适用于荷载偏心值在0~15mm之间的承载力计算公式,建议公式与试验数据、数值分析结果相比较,表明建议公式是合理而偏于安全的。     

基于BIM的结构健康监测研究

随着建筑结构的大型化、复杂化,利用结构健康监测(Structural health monitoring)技术评判结构的安全状态是非常重要的。本文基于BIM技术,结合数据库管理和传感通信技术构建了SHM系统框架,利用参数化设计工具Dynamo,由BIM模型自动访问SHM数据库,通过阈值设定,将损伤构件映射到BIM模型上,实现基于SHM数据进行结构状态评估的可视化预警能力。     

结构健康监测和可靠性评估

对美国最大跨度桁架桥中的主要桁架构件以及整个结构系统的可靠性进行评估。根据构件和系统的可靠性指标,可以采用随机方法评估大跨桥的安全水平。然而,大多数旧的大跨桥是基于允许应力设计的,其可靠性不可能被保证。本研究的可靠性分析基于对恒荷载、活荷载和风载分布的评估。通过收集大量的输入和响应数据,对大桥进行长期结构健康监测。根据外部荷载影响的模式和大小,长期监测数据清楚揭示了不同结构的性能。案例显示,采用传统的分析方法难以确定由于温度引起的结构响应。为探讨温度对结构的影响以及在可靠性评估中考虑长期监测数据的作用,也对温度引起的响应进行分析。研究显示：温度导致的响应对整个系统的可靠性具有明显的影响。     

现有铁路钢桥应变监测系统评估

现有铁路线中旧式钢桥所用的是目前已不再使用的材料,常常会出现老化问题,使用中常遇到与设计荷载完全不同的荷载情况。因此,应变监测是保障结构性能和进行安全评估的重要工具。介绍并讨论了安装在Trezói大桥的应变监测装置系统,用该系统评估铁路钢桥结构。采用两种不同的传感器(电子传感器和光纤传感器)进行结构性能的现场观测。所设计的电子监控系统安装在桥梁上,为研究项目提供试验数据,光纤光学显示器系统用于评估系统的可靠性以确保其安全,并对试验点的测量值进行筛选。对结果进行分析,描述桥梁特性和性能,讨论两种传感器在获得桥梁使用情况和疲劳评估相关数据方面的局限性,也即关注其精确采集结构的静态与动态响应及频率的能力。     

循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究

为准确模拟结构的地震响应,寻找在循环荷载下钢材的本构关系,采用工程常用Q235B及Q345B钢材共50个试件,施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、宏观微观破坏形态、延性特征以及损伤退化特性,并采用Ramberg-Osgood模型对循环加载骨架曲线进行拟合,进而得到Q235B及Q345B钢材在循环荷载下的一维应力应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定,确定了两种等级钢材本构模型的关键材料参数,并结合通用有限元程序ABAQUS对试验结果进行有效模拟,为今后准确计算结构在地震荷载下的反应提供重要依据.结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的本构关系有很大差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;循环的圈数以及幅值会严重影响构件的断裂延性,钢材在循环荷载下的破坏应变不能按照单调荷载来确定.     

大跨桥梁结构健康监测和状态评估研究进展

简要回顾了大跨桥梁健康监测的发展历程。结合润扬长江大桥健康监测系统,介绍了枯梁健康监测系统的组成、监测内容、功能及特点。重点对蒙特卡罗法、层次分析法、模湖理论、神经网络和遗传算法等桥梁结构常用的状态评估方法进行了介绍了比较。最后阐述了健康监测领域今后的主要研究问题和发展方向。     

Monitoring Structural Health Using a Probabilistic Measure

A Bayesian probabilistic methodology for structural health monitoring is presented. The method uses a sequence of identified modal parameter data sets to continually compute the probability of damage. In this approach, a high likelihood of a reduction in model stiffness at a location is taken as a proxy for damage at the corresponding structural location. The concept extends the idea of using as indicators of damage the changes in model parameters identified using a linear finite-element model and modal parameter data sets from the structure in undamaged and possibly damaged states. This extension is needed because of uncertainties in the updated model parameters that in practice obscure health assessment. These uncertainties arise due to effects such as variation in the identified modal parameters in the absence of damage, as well as unavoidable model error. The method is illustrated by simulating on-line monitoring, wherein specified modal parameters are identified on a regular basis and the probability of damage for each substructure is continually updated. Examples are given for abrupt onset of damage and progressive deterioration.     

南仓编组站斜拉桥结构健康监测系统设计

针对天津南仓编组站斜拉桥大跨径异型独塔斜拉的结构特点,建立了桥梁结构健康监测系统。通过对大跨径异型独塔斜拉桥的桥址环境、结构变形、拉索索力、结构应力、动力特性等进行监测,进而进行桥梁结构状态评估。     

压电阻抗技术在结构健康监测中的应用研究

压电阻抗原理在土木工程结构健康监测中的应用得到越来越多的关注。系统阐述了压电材料、压电阻抗原理、压电材料与被监测结构的相互作用模型,以及基于阻抗信息的监测技术,归纳了压电阻抗技术应用中压电材料尺寸选择、扫描频率选择、感应范围、粘结剂影响、数据采集设备的发展、数据处理方法等方面的研究成果,并对目前存在的问题进行了总结和分析。     

Health Monitoring of Rehabilitated Concrete Bridges Using Distributed Optical Fiber Sensing

Abstract:   It is evident that a health monitoring system (HMS) holds a great deal of potential to reduce the inspection and maintenance cost of existing highway bridges by identifying the structural deficiencies at an early stage, as well as verifying the efficacy of repair procedures. As newly developed techniques, distributed optical fiber sensing (DOFS) have gradually played a prominent role in structural health monitoring for the last decade. This article focuses on the employment of two types of DOFS, namely fiber Bragg grating (FBG) and Brillouin optical time domain reflectometry (BOTDR), into an integrated HMS for rehabilitated RC girder bridges by means of a series of static and dynamic loading tests to a simply supported RC T-beam strengthened by externally post-tensioned aramid fiber reinforced polymer (AFRP) tendons. Before the loading tests, a calibration test for FBG and another one for BOTDR were implemented to, respectively, obtain good linearity for both of them. Monitoring data were collected in real time during the process of external strengthening, static loading, and dynamic loading, respectively, all of which well identified the relevant structural state. The beam was finally vibrated for 2 million cycles and then loaded monotonously to failure. Based on the bending strength of externally prestressed members, ultimate values for the test specimen were numerically computed via a newly developed simplified model, which satisfactorily predicted the ultimate structural state of the beam. And then the alert values were adopted to compare with the monitoring results for safety alarm. The investigation results show a great deal of applicability for the integrated SHM by using both DOFS in rehabilitated concrete bridges strengthened by external prestressing.     

循环荷载作用下钢材的试验及本构模型研究

为了研究钢材的超低周疲劳性能及循环荷载作用下的本构关系,对50组Q235-B和Q345-B钢材进行超低周疲劳试验。研究了Q235-B和Q345-B钢材的力学性能,如:单调加载性能、滞回性能及滞回准则。通过对钢材全过程滞回性能的研究,建立了循环荷载作用下钢材的简化单轴本构模型。基于有限元软件ABAQUS的用户子程序接口UMAT,用户可自定义钢材的单轴本构属性。通过引入纤维梁单元,可利用单轴本构模型进行结构分析。通过对比各种荷载作用下Q235-B和Q345-B钢材的试验数据,验证了本模型的正确性,利用本模型可进行钢框架的非线性时程分析。试验和数值分析结果均表明:Q235-B和Q345-B钢材在循环荷载和单调荷载作用下的性能有很大不同,钢材屈服后,循环荷载作用下的骨架曲线比单调荷载作用下更高;循环次数和振幅大小对材料韧性的影响很大。当受循环荷载作用时,钢材提前发生颈缩和断裂,这表明累积损伤降低了钢材的韧性。     

结构参数化建模在大跨空间钢结构中的应用

本文基于Rhino+Grasshopper参数化设计平台介绍了网架、网壳和管桁架常用空间结构的参数化建模。同时结合两个工程实例,详细介绍了空间钢结构参数化建模的思路、流程以及优点。     

Wavelet-Based Structural Health Monitoring of Earthquake Excited Structures

Abstract:   The article presents a wavelet-based structural health monitoring technique for structures subjected to an earthquake excitation utilizing the instantaneous modal information. The instantaneous mode shape information is first extracted from the vibration response data collected during an earthquake event by using a wavelet packet sifting process. A confidence index (CI) is proposed to validate the results obtained. The identified normalized instantaneous mode shapes in conjunction with the corresponding CIs can be effectively used to monitor damage development in the structure. The effectiveness of the proposed approach is illustrated for two damage scenarios, sudden stiffness loss and progressive stiffness degradation, and different base excitations including three real earthquake signals and a random signal. Consistently good results were obtained in all cases. Issues related to robustness of the method in the presence of a measurement noise and sensitivity to damage severity are discussed.     

用连续振动阻抗法进行预应力钢筋混凝土梁桥的混合健康监测

提出连续振动阻抗法,对预应力钢筋混凝土桥梁的两种破坏形式(即预应力筋破坏或梁破坏)进行混合健康监测。监测包括3个步骤:第一步,通过监测加速信号的变化,对整体破坏进行预警。第二步,通过振动和阻抗识别模式,将破坏类型分为预应力筋破坏或梁破坏。第三,基于形状模式和频率方法,通过测量试验室中几个预应力筋和梁的加速响应和电子-机械阻抗,对所提系统的可行性进行评估。     

结构健康监测的研究现状

阐述了结构健康监测的概念、系统组成及其重要性,介绍了结构健康监测的研究现状,对工程中的应用作了概要性描述,并提出了需要进一步研究的问题.