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。     

桥梁结构损伤识别研究现状与展望

随着经济的快速发展,结构损伤识别作为桥梁健康监测的核心也得到了迅猛地发展。为了全面总结现有桥梁结构损伤的识别方法,从基于结构响应类型的损伤识别方法、基于分析过程的损伤识别方法和结构智能损伤识别方法三个层面进行了详尽的剖析与总结,理清了各种结构损伤识别方法的脉络关系和技术演变过程。通过系统化分析,汇总了上述三大类损伤识别方法的主流算法,分析了各算法的优势与不足,最终对桥梁结构损伤研究领域未来的研究方向与走势进行了展望。     

基于迁移学习的桥墩结构损伤识别方法

提出一种深度学习的桥墩结构损伤识别方法,该方法通过迁移学习(TL)将源模型的权重和参数转移到目标模型上,加快深度模型的训练速度、提升模型损伤识别精度。使用连续小波变换将振动信号转换成时频图作为深度模型的输入,构建可识别砼结构损伤的深度模型,该模型的固定部分使用源模型的权重和参数,非固定部分的权重和参数使用新的数据训练得到;通过试验及仿真对该模型的有效性进行验证,试验方面使用砼桥梁在有损伤和无损伤时的振动信号,仿真采用ABAQUS/CAE建立砼塑性损伤识别模型(CDP)并采集振动信号;将文中方法与从零开始训练的深度卷积神经网络(CNN)及支持向量机(SVM)方法进行对比,文中方法在试验数据上的识别精度达99.1%,在仿真数据上的精度达100%,相对于传统识别方法,该方法可提高损伤识别精度和模型训练速度。     

基于应变比的桥梁损伤识别与评估方法

为了研究如何应用桥梁健康监测数据对桥梁关键部位损伤进行识别,从而对桥梁健康状况进行有效评价,解决桥梁结构监测数据分析利用方面存在的实用性不强的问题,通过在结构的测试断面和基准断面分别布设一定数量的应变传感器,采用桥梁应变影响线理论,建立了一种基于应变比的桥梁损伤识别与评估方法。分析了大量车辆荷载作用下桥梁应变响应监测数据,利用测试断面与基准断面对应部位的应变比推演出结构刚度退化矩阵,再利用封闭交通情况下测试车辆产生的荷载效应准确获得应变比矩阵和刚度退化矩阵。为分析对于开放交通条件下难以获得准确应变比矩阵的问题,利用随机信号分析理论及统计技术分析应变比的概率分布规律,发现在交通荷载作用下,一定监测周期内测试断面自身不发生损伤时其应变比众值基本保持不变,证明可根据应变比分布规律的变化对测试断面进行损伤识别。提出了封闭交通情况下测试断面快速损伤识别及开放交通条件下的损伤识别方法。将这一方法推广应用到桥梁健康监测系统中,以青银线济南黄河大桥为例,对该方法的有效性进行了验证。结果表明,该方法效率高,精度好,通用性强,能够实现封闭交通下桥梁损伤快速精准识别与评估和开放交通状态下桥梁损伤定期在线识别。     

基于监测数据衰减响应模式提取的斜拉桥阻尼比特性分析

运营环境下桥梁受到的车辆荷载是非平稳的，不满足一般运营模态分析方法的基本假定，在桥梁阻尼比识别过程中可能引入较大误差。为了提升基于非平稳监测数据的桥梁阻尼比识别准确性，探究其变化规律，提出了一种基于衰减响应模式提取的桥梁阻尼比识别方法，从大量的识别结果中分析阻尼比在运营期间的统计特征及规律。该方法利用U-net卷积网络从桥梁的监测数据中提取出衰减响应数据，进而利用希尔伯特变换方法识别桥梁阻尼比。分析了一座独塔斜拉桥2年的监测数据，并识别了桥梁前2阶竖弯模态的阻尼比，统计了其在不同时段概率密度分布，分析了温度和交通荷载对阻尼比的影响规律。研究结果表明：所提方法可以从海量监测数据中有效提取出监测数据中的衰减响应；桥梁阻尼比分别与环境温度及交通荷载存在弱负相关和强正相关关系；桥梁阻尼比受车辆荷载影响显著，主要来源于摩擦耗能与车桥耦合效应，前2阶阻尼比平均值在车辆较少时分别为0.72%和0.58%,白天车流量较大时阻尼比平均值分别为1.05%和0.79%。     

桥梁健康监测中的关键性问题和损伤识别方法

针对大型桥梁结构健康监测的特点,分析了桥梁健康监测中的关键性问题。阐述了几种传统的损伤识别方法,并介绍了一些新兴理论在损伤识别中的应用,分析了不同损伤识别方法的特点。最后提出基于多传感器信息融合的桥梁结构损伤识别策略,并对桥梁健康监测中损伤识别的发展进行了展望。     

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BP神经网络的中等跨径桥梁损伤识别探讨

针对中等跨径桥梁中的损伤识别不敏感问题,运用BP神经网络进行中等跨径桥梁结构损伤识别。利用MIDAS/Civil分别建立三跨连续变截面箱梁完好及不同损伤状态下有限元模型,分析桥梁不同状态下的特征值,发现中等跨径桥梁对结构损伤的敏感性依次为振型竖向位移固有频率;将参数化的结构固有频率及振型作为BP神经网络的输入、损伤位置和损伤程度作为输出进行神经网络训练,对各工况下损伤位置和损伤程度进行识别,发现识别效果较差,通过获取中等跨径桥梁的自身特性,利用BP神经网络难以识别结构损伤,需探索合适的损伤识别参数及适用于中等跨径桥梁的方法。     

基于车致桥梁响应和L1正则化的损伤识别研究

桥梁损伤识别是典型的反问题,通常需采用正则化手段求解。基于L₁正则化的损伤识别方法能很好地利用损伤所具有的稀疏性,在桥梁监测领域得到了广泛的应用。此类方法通常利用频率和振型的变化作为判断损伤的依据,然而实际测试中可获得的频率阶数有限、振型测试精度低,严重影响其效果。采用移动荷载激励下的桥梁动力响应,提出一种基于有限元模型修正技术和L₁正则化的损伤识别方法。首先,采用数值算例系统比较局部损伤导致的桥梁频率变化与车致桥梁动力位移-时间曲线面积变化情况,结果表明相比于频率变化,车致桥梁动力位移-时间曲线面积的变化更适合用于损伤识别。其次,提出基于有限元模型修正技术和L₁正则化的桥梁损伤识别方法。将桥梁有限元模型中的单元刚度折减因子作为待修正参数,以模型计算和实测车致桥梁动力位移-时间曲线面积的差值最小为目标函数,并引入L₁正则化优化求解,识别桥梁损伤。然后,采用包含单损伤和双损伤工况的简支梁和连续梁数值算例,验证所提方法的有效性,并分析测试噪音、移动荷载速度不均匀和桥梁刚度分布不均匀对识别结果的影响。最后,制作移动车辆和简支梁桥的试验模型,进行移动荷载试验。研究结果表明：提出的损伤识别方法能够较准确地识别桥梁单损伤的位置和程度,但随着损伤数目的增多,其有效性有所下降。     

时间序列模型下结构损伤识别方法及应用前景分析

为联合在役桥梁健康监测数据实现构件损伤发生可能性的定量评判,引入时间序列模型,对其建模实施流程进行阐述,阐述基于时间序列模型的构件损伤概率计算方法,并对该分析方法在桥梁健康监测领域的应用前景进行分析。     

用于径流污染削减的土地处理设施内土壤重金属污染研究

通过对一处植草沟-表面流人工湿地联合径流处理设施内的水体及土壤样品进行采样分析,研究土地处理设施内土壤重金属污染风险和径流截流净化机制间的关系。研究结果表明,径流内重金属的水体-土壤迁移,是其在土地处理设施内脱除的主要途径,但这带来了不可忽视的土壤重金属富集现象。与周边自然土壤相比,径流土地处理设施内土壤主要重金属(Fe、Mn、Ph、Cu、Zn及As)的平均浓度上升了1.5~2.9倍,带来了严重的负面环境风险。其在具备深度水质净化能力的土地处理设施单元内(如人工湿地)尤为严重。同时设施内重金属水体-土壤迁移的强度显著受到水体理化环境,特别是氧化还原水平的调控,厌氧及强还原性环境会进一步提高土壤重金属二次释放及向周边环境迁移的风险。     

高速公路拓建工程雨季路床处理技术经济分析

根据雨季高速公路拓建工程的特点，研究了3种路床处理措施的技术经济性。基于弯沉指标及（或）压实度指标，若遇降雨，级配碎石方案无法满足设计要求，即级配碎石层实测弯沉大于设计弯沉，且容易在雨季施工中积水；水泥稳定土方案则均匀性难以保证，同时无法满足下雨天气施工质量要求；水泥稳定级配碎石方案的处理层顶面实测弯沉及压实度均可基本满足设计要求，但造价较高。为此，通过理论计算及经济分析，推荐了技术经济可行的处理方案。其中，2％～4％水泥剂量的稳定碎石基本可满足各种类型的路面结构设计要求；8％水泥稳定土造价较低，若能够有效地解决针对扩建工程特点的施工工艺问题可考虑优先使用：     

岩溶地区公路路侧土壤中重金属污染及其评价

在2002年和2004年,分别对地处岩溶地区的衡昆高速公路湖南段、207国道、322国道的多个路段,在距离公路5 m、10 m、15 m、25 m、40 m、60 m、80 m、100 m、120 m、150 m处采集土壤样品,采用原子吸收光谱法测试土壤中的Cu、Pb、Zn、Cd等重金属元素的含量,并对其结果进行了分析与评价。研究结果表明,岩溶地区公路两侧土壤中的Pb、Zn、Cd等重金属元素的含量在公路运营之后显著增加,其中,土壤中Cd元素的污染严重,轻度污染的元素为Pb、Zn,基本上未受到Cu的污染影响,土壤对重金属元素的吸附及污染程度为:Cd>Pb>Zn>Cu。重金属污染影响范围自公路起大约80~100 m;岩溶地区公路路侧水田中重金属元素含量较旱地、果园低,但影响范围更广。     

掺砂砾改良盐渍土路用性能的试验研究

采用掺拌1:1砂砾对西宁南绕城高速公路中硫酸盐渍土进行改良，分析了砂砾改良前后盐渍土的微观结构，并分别采用振动压实和重型击实对改良弱盐渍土的压实效果进行分析。结果表明:砂砾能有效改善盐渍土的级配，增加颗粒间的摩阻力，使土的抗剪强度得到较大提高，同时增强土体的结构性；弱盐渍土采用振动法压实获得的干密度大于用重型击实获得的干密度，压实效果更好，工程中宜用振动压实法确定盐渍土的室内最大干密度。     

海绵城市生物渗滤单元填料对城市道路径流污染物处理效果的实验研究

通过对海绵城市生物渗滤单元几种常见的填料及其在不同配比下对于城市道路径流中的Zn、总P和石油类三种代表性污染物处理效果的实验分析，考察了不同填料对城市道路径流污染物的去除效果。结果表明，河砂的去除效果好于沸石。实验期间，河砂柱对锌的去除率均高于95%， 而沸石柱在通水的前三天内对锌的去除率高于90%，随后逐渐降低。在河砂中适当添加少量砾石有助于在保证去除率的情况下提高其渗透速率， 当河砂与砾石质量比为2∶1时，填充柱的渗透速率达到4 mm/min，同时其对各污染物的去除效果也很明显。     

天目山隧道施工废水特征分析及处理

天目山隧道进口段毗邻"新安江—富春江—千岛湖"国家级风景名胜区,为避免隧道施工废水影响当地生态环境和饮水安全,对其特征进行分析,发现废水中悬浮物(SS)和酸碱度(p H)超标,且含有重金属。部分水样中汞(Hg)和镍(Ni)超标(其中Hg的超标频次较高),其他重金属未超标,废水中出现重金属与地质有关。采用"初沉+混凝+沉淀+过滤"工艺处理废水,初沉主要去除大颗粒悬浮物,混凝、沉淀主要去除细颗粒物和重金属。结果表明:处理后的废水各指标均满足排放要求,处理成本为0.51元/m3,经济性较好。     

路基水盐迁移及其对路用性能的弱化影响研究

针对盐渍土地区的高速公路填料，采用自制冻融循环试验装置进行了冻融循环作用下砾类土路基水盐迁移试验，结果表明:距路基顶面20 cm以下的中上部土层为主要的“聚盐层”，此高度范围主要发生盐分迁移和“水去盐留”的蒸发聚盐过程。分析了细粒含量对砾类土路基冻融循环冻胀变形量和压实度衰减率的影响，细粒含量越高，路基冻融变形量越大，压实度衰减率越大。土样经过冻融循环后，其回弹模量和CBR显著降低，冻融循环引起的路基次生盐渍化导致其路用性能的弱化。从减少毛细水和盐分迁移、减缓路基压实度衰减和冻胀角度出发，季节性大温差极端环境下强盐渍土地区砾类土路基填料应将细粒含量控制在10%以下。     

交通活动对道路两侧土壤中重金属含量的影响

道路上的车辆是导致道路两侧土壤污染的主要因素。在这些污染物中,以重金属对土壤的污染受到人们最为广泛的关注。车辆的排放物是导致道路两侧土壤重金属污染与积累的重要原因,这些排放物包括：汽油中铅的化合物、润滑油的燃烧、汽车轮胎与道路的磨擦产生的微尘、刹车里衬的机械磨损等。同时,道路所处的自然环境,如地形地貌、降水量、日照量、季风等也决定了这些重金属在道路两侧的累积程度和分布格局。此外,道路上车辆的主要类型、车流量的大小也对土壤中重金属含量有较大的影响。总的来说,道路两侧土壤中的重金属呈带状分布于道路两侧,且含量随距离的增加呈指数形式下降。     

粤北地区花岗岩残积土的物理力学特性

采用数理统计方法对广连高速公路花岗岩残积土的物理力学指标进行统计，并分析特性参数的相关性。结果表明:粤北地区花岗岩残积土为具有显著地域差异性的结构性土，多为砾质黏性土；颗粒组成呈“两头大、中间小”的分布特征，具有以稍密、硬塑、中等压缩性、较高抗剪强度为主的典型特点；物理指标之间的相关性显著，力学指标与物理指标的相关性不显著，可为粤北地区花岗岩分布区公路建设提供参考。     

高速公路路面径流污染影响因素的初步分析

采集了重庆地区2条高速公路的路面径流水样,初步分析了影响径流污染特征的外部因素。结果表明,高速公路普通路面与悬空桥面之间,径流各污染物浓度均没有达到显著性差异,但车流量对径流的影响可能与车辆排出的有机废气沉降地面有关。各季节的污染程度依次为春季>冬季>夏季>秋季。径流水质与降雨水质没有明显的相关关系。路面灰尘粒径越细,其所载污染物浓度就越高,污染也越重。80%以上的污染物积聚在2.0 mm以下的灰尘中。各污染物的酸雨浸出率为0.76%~15.94%,进入径流的可溶态污染物并不多,更多的是随雨水产生的颗粒态污染物。