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　　【摘要】： 在拱橋結構中,吊桿是關鍵的受力構件,但由于長期處于惡劣的環境和疲勞受力狀態,吊桿往往因為環境腐蝕和疲勞損傷以及錨頭錨錠磨損而發生斷裂,導致橋梁倒塌,并因此造成嚴重的交通事故和人員傷亡以及帶來巨大的經濟損失和極壞的社會影響。因此發展一套吊桿損傷監測和安全評定方法,具有重要意義。 本文對吊桿內力、疲勞腐蝕、防腐砂漿失效等損傷進行了監測,提出了一套較為實用的監測、評定和腐蝕疲勞壽命預測方法,并通過實際工程檢驗了所提方法有效性和正確性。其主要研究內容如下: 首先,針對吊桿內力識別的頻率測試法都是基于弦振動理論、在實際應用中可能帶來不可接受誤差的弊端,提出了一種基于頻率測試的吊桿內力識別的神經網絡方法,給出了神經網絡的具體設計步驟和優化方法。運用20多座橋梁的200多組數據對設計好的網絡進行了訓練,得到了吊桿內力預測較為精確的神經網絡模型,并通過工程實例驗證了本方法的正確性。 其次,提出了拱橋吊桿應力變化的光纖光柵傳感器監測方法。對現役拱橋提出對吊桿開窗直接布設裸光纖光柵傳感器,并對它的波長與應變和溫度的關系進行了理論分析,通過標定試驗,得到傳感器的應變與溫度靈敏系數,提出并實施了現役拱橋吊桿光纖光柵傳感器的布設工藝、布設后吊桿的修復方法以及光纖光柵傳感器溫度補償方法;對新建拱橋吊桿提出用玻璃纖維-光纖光柵智能復合筋監測吊桿應力變化的方法,對復合筋在吊桿中布設工藝、根數、溫度和應變靈敏系數以及如何與鋼絞線協同變形進行了系統的研究;比較了不同直徑纖維智能復合筋的極限應變,得出φ7mm的智能筋適用于監測吊桿應力變化;最后開發了取代式和粘結式兩種智能吊桿,并通過張拉實驗表明它們都能很好地監測張拉全過程的應力變化。 第三,提出吊桿拉伸損傷的聲發射監測方法,得到了新舊鋼絞線、單根吊桿拉伸損傷的聲發射特征。首先根據聲發射特征參數圖提出了斷絲信號和非斷絲信號的判斷方法,運用聲發射直線定位技術準確定出了斷絲的位置;其次,由聲發射累積能量相關圖,動態分析了鋼絞線損傷演化過程和規律,判斷了斷絲的根數和發生的時刻;最后,基于得到的聲發射參數,導出了聲發射參數同損傷變量的關系,建立了用聲發射累積能量相對變化表示的鋼絞線拉伸損傷演化方程,采用聲發射特征參數時間序列分形理論研究了鋼絞線的損傷演化規律,并提出將分形維數變化圖中“最大-最小”變化模式作為為鋼絞線臨界損傷破壞的判斷依據。 第四,提出了吊桿防腐砂漿損傷全過程的聲發射監測方法。首先,通過三點彎曲試驗,得到了水泥砂漿梁破壞全過程力學特征和聲發射特征,發現聲發射計數的包羅曲線和荷載曲線具有良好的對應關系。然后,提出三種方法來預測它的損傷演化過程:1)速率過程分析方法,它的統計模型能有效預測聲發射事件數和判斷結構的狀態;2)聲發射信號幅值與聲發射事件數關系圖分析方法,聲發射信號幅值包絡線形狀變化可以判斷損傷的極限狀態和損傷演化過程;3)分形算法,聲發射特征參數在不同應力狀態下時間序列分形維數變化規律能很好預測水泥砂漿臨界破壞。最后,通過聲發射機理分析,利用聲發射能量的相對變化來定義水泥砂漿損傷因子,提出了用聲發射參數表示水泥砂漿損傷演化方程的方法,并試驗證明了損傷演化方程的正確性。 第五,提出了基于監測數據的拱橋吊桿疲勞累積損傷壽命評估方法。對危橋和正常運營兩種不同狀態的拱橋提出采用不同的方法來獲得它的疲勞應力譜,結合實際橋梁監測的數據,給出了拱橋吊桿腐蝕疲勞累積損傷計算公式、步驟及數據處理方法;并對實際橋梁的某一根吊桿腐蝕疲勞累積損傷進行了預測,比較了有無腐蝕鋼絞線累積損傷壽命,其評估結果與實際結果基本吻合。 最后,把上述監測和評定方法在四川峨邊大渡河拱橋吊桿(系桿)得到了具體實施和應用,成功測試了各吊桿內力和監測了吊桿常見類型的損傷,基于光纖光柵監測數據正確地評價了吊桿安全狀況,并根據測試結果分析了不同長度吊桿和同根吊桿不同鋼絞線的受力特征;提出了基于監測數據識別車輛荷載大小的方法;利用布設在系桿中的玻璃纖維-光纖光柵智能復合筋成功地監測了系桿整個張拉過程,并指導了工程施工。 【關鍵詞】：拱橋吊桿 健康監測 振動測試法 光纖光柵 聲發射
【學位授予單位】：哈爾濱工業大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：U448.22;U446
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.193158
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 緒論18-42
• 1.1 課題背景及意義18-20
• 1.2 橋梁結構健康監測的研究現狀與發展趨勢20-26
• 1.2.1 橋梁結構健康監測系統的基本框架20-23
• 1.2.2 研究現狀與發展趨勢23-26
• 1.3 拱橋吊桿的健康診斷方法26-40
• 1.3.1 拱橋吊桿結構及其缺陷特征28-29
• 1.3.2 拱橋吊桿損傷的無損檢測與監測技術29-37
• 1.3.3 拱橋吊桿損傷安全評定方法37-40
• 1.4 本文的構思與研究內容40-42
• 第2章 拱橋吊桿內力識別的頻率測試法與神經網絡方法42-58
• 2.1 引言42-43
• 2.2 頻率測試法基本原理43-49
• 2.2.1 一般邊界條件下吊桿的頻率方程43-44
• 2.2.2 兩端簡支邊界條件下吊桿的頻率方程及吊桿內力計算公式44-45
• 2.2.3 兩端固結邊界條件下吊桿的頻率方程及吊桿內力計算公式45-49
• 2.3 頻率測試法簡化計算公式適應的范圍分析49-50
• 2.4 基于頻率測試的神經網絡方法50-54
• 2.4.1 BP 網絡50-54
• 2.4.2 BP 網絡訓練54
• 2.5 拱橋吊桿內力識別驗證及比較54-55
• 2.6 吊桿內力識別的影響因素55-57
• 2.7 本章小結57-58
• 第3章 拱橋吊桿損傷的光纖光柵監測方法58-76
• 3.1 引言58-59
• 3.2 光纖光柵傳感原理59-60
• 3.3 現役拱橋吊桿光纖光柵監測60-65
• 3.3.1 光纖光柵傳感器布設工藝60-63
• 3.3.2 光纖光柵傳感器標定試驗63-64
• 3.3.3 現役拱橋吊桿光纖光柵傳感器溫度補償技術64-65
• 3.4 新建拱橋吊桿光纖光柵監測65-70
• 3.4.1 GFRP 光纖光柵（GFRP-OFBG）復合筋的制作65-66
• 3.4.2 GFRP-OFBG 復合筋的傳感特性66
• 3.4.3 不同直徑GFRP-OFBG 復合筋的極限應變比較66-68
• 3.4.4 吊桿中GFRP-OFBG 復合筋的布設工藝68-70
• 3.5 GFRP-OFBG 智能吊桿試驗70-74
• 3.5.1 粘結式智能吊桿拉伸試驗70-72
• 3.5.2 取代式智能吊桿拉伸試驗72-74
• 3.6 本章小結74-76
• 第4章 拱橋吊桿拉伸損傷的聲發射監測方法76-97
• 4.1 引言76-77
• 4.2 聲發射測試技術的基本原理77-81
• 4.2.1 聲發射波動理論77-78
• 4.2.2 聲發射信號分析方法78-81
• 4.3 鋼絞線拉伸損傷的聲發射特征81-89
• 4.3.1 新鋼絞線拉伸損傷的聲發射特性試驗81-84
• 4.3.2 舊鋼鉸線拉伸損傷的聲發射特性試驗84-86
• 4.3.3 單根吊桿拉伸損傷的聲發射特性試驗86-89
• 4.4 鋼鉸線損傷演化的聲發射特征參數表征89-92
• 4.4.1 聲發射累積能量與拉伸變形的關系89-90
• 4.4.2 聲發射特征參數表征的鋼鉸線損傷演化模型90-92
• 4.5 鋼絞線損傷演化的聲發射參數時間序列分形預測方法92-95
• 4.5.1 分形理論概述93
• 4.5.2 鋼絞線拉伸損傷聲發射過程的分形特征93-94
• 4.5.3 鋼絞線損傷演化聲發射過程分形分析94-95
• 4.6 本章小結95-97
• 第5章 吊桿防腐水泥砂漿損傷演化的聲發射預測方法97-109
• 5.1 引言97-98
• 5.2 水泥砂漿破壞全過程聲發射監測98-101
• 5.2.1 試驗方案與加載裝置98
• 5.2.2 試驗結果與討論98-100
• 5.2.3 水泥砂漿裂紋損傷位置確定100-101
• 5.3 水泥砂漿損傷演化過程分析101-105
• 5.3.1 聲發射速率過程分析模型101-102
• 5.3.2 聲發射幅值事件圖分析102-104
• 5.3.3 水泥砂漿損傷演化的聲發射參數時間序列分形預測方法104-105
• 5.4 水泥砂漿損傷演化的聲發射參數模型及其失效預測105-108
• 5.5 本章小結108-109
• 第6章 拱橋吊桿基于監測數據的疲勞累積損傷壽命預測方法109-129
• 6.1 引言109-110
• 6.2 拱橋吊桿疲勞應力譜獲取110-113
• 6.2.1 危橋吊桿疲勞應力譜獲取110-113
• 6.2.2 正常運營拱橋吊桿疲勞應力譜獲取113
• 6.3 局部彎曲應力對吊桿疲勞性能的影響113-116
• 6.3.1 風荷載作用下吊桿錨固端部角度變化分析114-115
• 6.3.2 吊桿不同位置處的彎曲應力變化115-116
• 6.4 吊桿累積損傷疲勞壽命預測116-122
• 6.4.1 拉索的S-N 曲線116-121
• 6.4.2 疲勞累積損傷準則121
• 6.4.3 等效應力幅的統計分析121-122
• 6.5 工程應用實例122-128
• 6.5.1 工程概況122
• 6.5.2 吊桿疲勞累積壽命預測122-128
• 6.6 本章小結128-129
• 第7章 四川省峨邊大渡河拱橋吊（系）桿智能監測及安全評定129-151
• 7.1 引言129-130
• 7.2 四川峨邊大渡河拱橋工程概況130-131
• 7.3 拱橋吊桿損傷的聲發射監測131-137
• 7.3.1 有效聲發射信號的確定131-132
• 7.3.2 拱橋吊桿損傷聲發射測試方案132-133
• 7.3.3 聲發射測試結果分析與討論133-137
• 7.4 拱橋吊桿內力測試137-140
• 7.4.1 測試方案137
• 7.4.2 測試結果與討論137-140
• 7.5 吊桿動態荷載效應測試140-145
• 7.5.1 同根吊桿不同鋼絞線的受力情況141-142
• 7.5.2 不同長度吊桿荷載效應比較及其車輛荷載識別142-144
• 7.5.3 基于光纖光柵傳感器監測數據的吊桿狀態變化判斷144-145
• 7.6 系桿張拉過程的GFRP-OFBG 復合筋監測145-148
• 7.6.1 GFRP-OFBG 復合筋的布設方法146
• 7.6.2 系桿張拉過程的GFRP-OFBG 復合筋監測146-148
• 7.7 系桿基于光纖光柵傳感器監測數據的狀態變化判斷148-149
• 7.8 吊（系）桿光纖光柵離線監測系統149-150
• 7.9 本章小結150-151
• 結論151-155
• 參考文獻155-169
• 攻讀學位期間發表的學術論文169-172
• 致謝172-173
• 個人簡歷173