桥梁健康监测系统在线结构分析及状态评估方法

为实时在线评估桥梁结构实测荷载与响应状态的相关性,提出桥梁健康监测系统的在线结构分析及状态评估方法。编制有限元分析程序内核,在程序内核中内嵌桥梁结构有限元模型,通过授权的数据库接口,读取健康监测系统中的实时荷载数据,对荷载数据进行统计分析,然后计算结构的理论响应值,并与健康监测系统中的结构实测响应值进行对比,对结构行为进行评估。某桥主桥为主跨460m的五跨连续双塔双索面半飘浮体系斜拉桥,应用该方法对该桥进行在线分析和状态评估,评估结果显示,根据实测荷载分析得到的结构响应和实测结构响应吻合较好,结构荷载和响应具有线性相关性,结构运营正常。     

中小跨径桥梁结构安全状态评估研究

针对目前中小跨径桥梁健康监测系统及结构安全状态评估相关研究不足的情况,以万埠大桥为工程背景,通过安装在桥梁结构上的健康监测系统获得实时监测数据,对桥梁结构应变及倾角数据进行分析处理。基于统计学原理,采用损伤预警理论中的无模型指标训练法对万埠大桥进行安全状态评估,通过该法计算得到桥梁结构应变及倾角值的安全阈值,将监测系统实时监测数据与安全阈值进行对比,评估桥梁安全状态,为桥梁管养部门管理决策提供依据,也为今后中小跨径桥梁安全评估提供实例借鉴。     

桥梁结构状态评估方法研究现状与展望

桥梁老龄化日益严重,桥梁安全状态成为广泛关注的问题,对桥梁进行合理的状态评估有助于桥梁管理养护和危险预警,保证桥梁正常运营。首先介绍了桥梁健康监测系统,分析监测系统存在的问题。其次分别从试验、数据分析和数字孪生方面介绍了桥梁评估方法的研究现状,然后阐述了桥梁状态评估的发展与挑战,综合分析表明目前结构健康监测系统仍存在较多问题,试验方面基于动力测试的损伤识别和基于视觉监测的桥梁状态评估都有自身的局限性,海量的监测数据需要进行有效的处理,BIM技术下的桥梁健康监测系统能实现监测与养护一体化运维管理,数字孪生技术将为桥梁状态评估带来新的可能。     

基于应变能量函数的桥梁损伤识别方法

为了解决传统损伤识别方法在桥梁健康监测方面的不足,借助频响函数法损伤识别的理论基础,建立应变监测数据功率谱密度函数与桥上通行荷载集群的对应关系,进而提出应变能量函数的概念,并提出了应用应变能量函数进行结构损伤识别的理论方法。在大量分析车辆荷载作用下桥梁结构应变响应监测数据的基础上,结合桥梁结构振动理论、信号处理技术以及数据分析理论,对利用应变信号能量函数进行桥梁结构损伤评估进行验证。通过在桥梁关键部位安装一定数量的应变传感器和一套动态称重系统,以固定周期对时段内的各测点的应变能量函数进行求解,利用统计分析技术得到能量函数计算值的概率分布规律,基于监测系统的工作特征,研究制订了在线损伤识别评估的方法和流程。最后以青银线济南黄河大桥为例,采用数值仿真和实测数据对该方法的有效性进行验证。结果表明,该方法效率高,精度好,通用性强,能够实现随机车流下桥梁结构损伤实时在线识别评估。     

基于GPS的南浦大桥动响应监测及刚度损伤预估

为了建立实测动响应与大跨径桥梁健康状况的紧密联系.建立了基于GPS的南浦大跨桥梁结构健康监测系统,提出了基于实测动挠度的整桥刚度损伤预估方法。首先根据桥梁结构仿真计算结果及GPS系统的监测特点,建立了桥梁动态线形变化的实时监测系统;然后根据监测数据分析了桥梁运营过程中的结构动响应分布规律,最后通过有限元迭代的方法,进行了桥梁整体刚度损伤的预估。分析结果表明,提出的南浦大桥GPS监测系统能有效地对桥梁进行关键受力部位的实时在线监测,评估方法建立了实测数据与结构健康状况的紧密联系,为实桥局部损伤定位及维护提供了理论基础。     

基于机器学习的超大跨度悬索桥健康状态评估

随着桥梁健康监测系统及其应用的不断完善,采用机器学习进行桥梁健康状态评估成为必要趋势。以超大跨度悬索桥为研究对象,基于桥梁监测数据与机器学习算法,建立了一种以提取结构损伤特征为目标的回归网络,并以峰值系数法和连续小波变换法作为对比,采用密度聚类法对桥梁结构的健康状态进行评估。结果表明:采用改进四分位距法可有效消除监测数据中的异常跳点,回归网络提取的损伤特征与密度聚类法在桥梁健康状态评估中的适用性良好。研究成果为机器学习下的超大跨桥梁健康状态评估提供了理论借鉴和方法参考。     

既有钢管混凝土拱桥实时监测评估系统

既有钢管混凝土拱桥实时监测评估系统是对桥址处的温度场、大桥的交通荷载状况及桥梁的静、动力效应实时监测,评估桥梁主体的运营状况。该系统主要由状态监测、损伤报警和性能评估及辅助决策子系统构成,能自动采集、分析和评估结构各类状态数据;判断异常状态并报警;自动探查采集系统故障;灵活设置数据采集时段,长期全面记录桥梁的受荷及响应历史;适时响应中控中心指令,实时查询、分析桥梁的运营状况。通过计算确定传感器的合理布置位置;远程数据传输采用有线数据传输方式。运行结果表明,该系统实现了既有钢管混凝土拱桥运营状况数据和图像的实时联动采集、实时自动传输及桥梁运营状态的远程实时自动监测、性能评估和安全预警。     

基于小波分析的桥梁振动损伤识别方法

桥梁动力特性参数(固有频率、振型和阻尼等)是反映桥梁整体安全状态的重要参数之一。桥梁损伤会引起结构动力特性改变,故对桥梁振动损伤进行识别便可以实现对桥梁的状态评估。建立仿真模型对桥梁振动损伤进行模拟,并运用小波分析方法对算例桥梁振动损伤数据进行分析,以有效实现对结构损伤状态的识别与评估。     

基于荷载试验和监测系统的某大跨度悬索桥结构状态评估

为进一步了解大跨度桥梁的结构状态,本文通过对桥梁荷载试验期间的监测系统实时监测数据、现场试验测量数据和大桥有限元模型模拟计算数据的对比挖掘分析,以定量化的形式通过与结构状态相关的参数指标,评估桥梁的结构状态。以国内某新建大跨悬索桥为例,通过安装的健康监测系统采集桥梁在静载试验条件下各控制截面的挠度、应变、振动等结构响应实时监测数据,计算桥梁挠度和应变特征值,采用频谱分析等方法计算大桥的模态参数,然后基于挠度、应变、模态参数的监测结果与现场试验测量结果、有限元模型计算结果的对比分析,并参照现场荷载试验评定方法,评估桥梁的结构状态。实验结果表明:监测系统时程数据可观测到明显的加载和卸载情况,监测系统运行良好,在试验荷载下桥梁处于弹性工作状态,整理受力状态良好,大桥结构整体刚度满足设计荷载的正常使用要求。作为新建桥梁,该评估结果还可作为桥梁的初始状态,作为后续评估桥梁结构状态和健康监测系统工作状况的参考基准。     

堡子坪大桥结构健康监测技术方案

在桥梁设计、建造、运营、养护维修的整个生命周期内,桥梁不可避免地会因各类因素影响或共同作用而产生缺陷或病害,甚至部分桥梁在交通或者环境的偶发作用下会出现突发的桥梁灾难性事件。堡子坪桥属于T形钢构组合梁,是国道312定西段重要的交通运输桥梁。针对堡子坪大桥的运营环境特点以及桥梁结构的受力特点,将结构面临的危险源划分为结构损伤和结构状态的不利性改变两大类,并根据当前科学技术水平提出针对不同危险源情况的监测,针对性地服务于桥梁百年的运营管养。该系统以带有操作系统功能的系统操作软件为平台,以数据管理系统为核心,以在线传感器系统、数据采集和传输系统、状态评估系统、远程信息查询系统、管理应用系统为外围应用功能,具有拥有良好的适应性、可扩展性、兼容性、可靠性、容错性和易操作性的开放式模块化构架。建立一个长期的在线监测预警系统,对桥梁进行实时长期监测,并及时预警。     

桥梁健康监测技术研究现状及展望

为进一步推进桥梁健康监测技术的发展,保障桥梁运营安全,依据近20年国内外桥梁健康监测（BHM）领域的学术研究现状,总结了BHM在系统及适用性、结构损伤监测算法、监测数据预处理、损伤结构安全预警及数字孪生技术方面取得的最新进展,确定BHM技术目前的研究热点和未来的发展方向。综合分析表明：在BHM系统及适用性方面,研究结构响应参数与健康指标的关联机制,研发长寿命非接触自动采集的智能传感装置,建立针对多源数据采集、传输、存储、分析、评价、预警于一体的自动化、网络化、智能化综合系统是重点研发方向;在结构损伤监测算法方面,设置针对异质场景的不同人工神经网络及修正方法选择建议集,针对多源信息流构建基于数据驱动与模型修正实时交互的多层级耦合智能算法是主要研究热点;在监测数据预处理方面,进一步研发基于深度学习的多源异构数据融合方法,建立复杂环境影响下的损伤结构动态信号提取算法,实现结构监测数据的精准分离是未来研究的热点;在损伤结构安全预警方面,研究重心集中于预警指标和预警体系的建立以及基于可靠度理论与监测数据的常规损伤安全评估,以结构监测数据反映总体力学行为并结合局部损伤的智能检测信息进行服役性能评价是未来的主要发展方向;数字孪生技术在BHM中尚属起步,将数字孪生技术融入多层级复合算法,建立结构多源异构大数据智能融合机制,形成数字联通、实时互动的智能化桥梁运维监测体系是重要发展方向。     

桥梁健康监测技术的适用性

为了掌握桥梁在各种工作环境下的结构行为和状态,并利用监测信息及早发现桥梁的异常或损伤,在总结了多座斜拉桥病害特点的基础上,以1座典型斜拉桥的有限元模型模拟了多种可能的损伤情形,并通过计算得到各种损伤情况下的结构动、静力反应及其变化。通过对损伤引起的结构变化和现代监测技术的工作性能及环境对结构行为影响的比较,调查典型桥梁健康监测方法的适用性。结果表明:以目前的监测手段获得的数据难以用来实现桥梁的损伤预警。     

致损荷载信息缺失在役钢桥的疲劳损伤状态重构方法

大多数在役钢桥的致损荷载信息缺失,根据不完备监测检测信息重构结构的疲劳损伤状态,是确保结构服役安全的基本前提。基于部分疲劳开裂信息反向重建等效致损荷载信息,提出了致损荷载信息缺失条件下的在役钢桥疲劳损伤状态重构方法。首先通过线性损伤累积理论和等效结构应力评估方法计算不同荷载工况下的疲劳敏感构造细节疲劳损伤累积;以钢桥服役期间疲劳损伤监测检测获得的疲劳裂纹检测结果为约束条件,将荷载工况的线性组合作为等效荷载历程,实现了在役钢桥结构的疲劳损伤状态重构;通过模型试验对所提出的疲劳损伤状态重构方法进行了验证。研究结果表明:基于疲劳裂纹损伤信息,在致损荷载信息缺失条件下重构得到的疲劳敏感构造细节损伤状态重构结果与试验结果吻合,证明了致损荷载信息缺失条件下实现疲劳损伤状态重构的可行性和所提出方法的有效性,为在役钢桥的实际疲劳损伤状态评估提供了新思路和新方法。     

土木工程结构健康监测研究进展

阐述了实施土木工程结构健康监测的必要性,介绍了结构健康监测系统的内涵、组成、监控内容、监控系统功能及其工程应用,讨论了结构损伤检测中的两类方法,重点对损伤识别中的动力指纹法、模型修正法、神经网络法、遗传算法进行了分析和比较,阐述了健康监测领域今后的主要研究问题和发展方向.     

基于神经网络技术的结构损伤检测

结构损伤会导致其振动频率的变化，因此测量结构振动频率可以判断结构是否存在损伤，同时，基于频率测量的结构损伤识别方法具有测试简便，精度较好的优点。在分析结构固有频率的基础上，把结构损伤识别问题分为损伤辨别、损伤定位、损伤程度标定3个子模块，对每个子模块用模态参数构造对损伤敏感的标识量，并作为特征参数输入到神经网络中实现损伤识别。将BP网络和频率相结合进行了矩形梁的损伤检测，计算分析结果表明，该方法在结构损伤检测中具有较好的识别效果。最后对神经网络方法在损伤检测中的发展前景作了展望。     

Bolster spring fault detection strategy for heavy haul wagons

An on-board health monitoring system is proposed for heavy haul wagons in this paper including a signal-based fault detection and isolation (FDI) method and an on-line fault diagnose strategy. Such a system, to be feasible on freight wagons, must be sufficiently cheap and robust, hence the design assumes the constraint of using only two accelerometers mounted on the front left and right rear part of each carbody in a heavy haul train. This paper focuses on the detection of bolster spring fault conditions. The problem is made more complex by the modes of failure which might be expected in bolster spring nests. Types of spring failure are firstly identified and discussed covering situations of broken (shortening springs) and softening (individual spring loss from a nest or cross-section loss through corrosion). The effects of these faults and their detectability were investigated using simulations on straight and curved track and using a fully detailed model of a typical 40?t axle-load heavy haul wagon. The simulation results were then examined and compared using cross-correlation analysis and an FDI system was proposed. The FDI system introduced five possible fault indicators. Initial results indicated that it was possible to detect changes in bolster stiffness of ±25%. An on-line fault diagnoses strategy is proposed for bolster spring faults which only requires data from wagon monitoring during travel around sharp curves to detect and the occurrence of confirm faults. The functionality envisaged needs only a ‘once per trip’ monitoring site, such as a sharper curve, and is aimed at condition monitoring rather than the provision of alarms or comprehensive monitoring of all events.     

钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统研究

正交异性钢桥面板作为大跨度桥梁的首选桥面板结构,实时监测并准确识别其重要构造细节的疲劳损伤程度,在此基础上预测剩余疲劳寿命,对于大跨度桥梁的服役期管理维护决策至关重要;但正交异性钢桥面板的疲劳问题具有多尺度、多模式、随机性、隐蔽性等特性,且其对结构静动力响应的影响仅限于疲劳裂纹附近的局部区域,传统的损伤识别方法难以准确识别。结合智能技术的最新发展和正交异性钢桥面板疲劳问题的基本属性,构建了其疲劳损伤智能监测与评估系统,并对其疲劳损伤指标和疲劳损伤智能评估的相关关键问题进行研究。提出了基于等效结构应力的正交异性钢桥面板多尺度疲劳损伤评估方法;建立了考虑随机因素的结构体系实时疲劳损伤评估及剩余寿命预测方法;构建了正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统;基于实际桥梁结构的交通量和结构响应监测信息,对所建立的正交异性钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估系统进行了验证。研究结果表明：在实际交通荷载作用下,顶板与纵肋连接细节的疲劳主导失效模式为焊根部位起裂沿顶板扩展,所提出的疲劳损伤评估方法的评估结果与实际结构一致,表明所提出的方法能够准确确定结构体系的疲劳失效模式;疲劳损伤智能监测与评估系统所确定的实桥疲劳损伤及剩余寿命预测结果与实际桥梁疲劳损伤开裂时间基本一致;所建立的智能监测与评估系统可为正交异性钢桥面板疲劳损伤过程和寿命评估提供理论依据及支撑,并为实桥的运营管理养护决策提供科学依据。     

瀛洲大桥结构健康监测系统设计

根据洛阳瀛洲大桥作为城市景观桥梁的异型拱桥结构特点和养护管理的需求,提出了基于自动化传感测试在线监测系统与人工巡检系统相结合的综合监测策略.根据大桥构件在结构安全中的重要性和易损性确定了监测内容,采用通用软件ANSYS建立了大桥空间有限元结构分析模型,进行全桥结构静动力特性分析,重点对于大桥关键受力区-拱脚倒三角区进行...     

模数式大位移伸缩缝智能监测

通过对模数式大位移伸缩缝的构造特点分析和运营现状调研,橡胶类部件性能劣化引起变形协调系统与中梁稳定系统的失效,最终导致竖向力传力系统损坏,是伸缩缝破坏的主要原因。通过对中梁各缝宽的监控及分析能够有效反映伸缩缝易损构件的使用状况,利用远程技术数据采集,经分析后做异常缝宽的检修预警,能够有效避免伸缩缝的结构性损坏。     

基于模态分析理论和神经网络的斜拉桥拉索损伤识别研究

将振动模态分析和神经网络技术结合起来,以振动模态构造的损伤标识量作为神经网络识别输入的特征参数,进行结构健康监测。根据云阳长江公路大桥设计资料,考虑桥梁拉索结构的单构件损伤、2个构件损伤、3个构件损伤3类损伤工况,分别采用了模态频率、位移振型模态、曲率模态3种指标作为神经网络的输入参数,共建立9个BP神经网络模型进行了桥梁损伤识别的研究。研究结果表明基于振动模态分析理论和BP神经网络的桥梁损伤识别方法可用于识别斜拉桥拉索结构的损伤位置和损伤程度。