毕业设计134南京理工大型桥梁健康监测自动化及安全评估的研究Word下载.docx

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本文还提出了结合层次分析法和人工神经网络算法的安全评估方法，并在软件中集成了相应功能。

关键词：

大型桥梁，健康监测，数据采集，安全评估，层次分析法，人工神经网络

Abstract

BridgeHealthMonitoringSystemisthedevelopingtrendoflong-spanbridgesafetyensuringsystem.Associatedwiththeproject,theresearchonmonitoringautomationandsafetyevaluationofbridgestructureisinvestigatedinthispaper.Andtheprogramofthewholemonitoringsystemisputforward,thesoftwaredesignanddevelopmentisalsoaccomplished.

BasedontheobjectiveandfunctionalrequirementofestablishingtheBridgeHealthMonitoringSystem,theloadcharacteristicofspecifiedbridgestyleisanalyzedandthemonitoringprogramisformedbystepinthepaper.Moreover,theconstructionofmonitoringsystemisdescribedindetail.

Inordertomeettheneedofdataacquisitionanddatatransfer,anapplicationofdataacquisitionisdevelopedtogenerallycontrolandconfiguretheacquisitionequipment.Suppliedfunctionsincludetestingtheequipment,user-definingtheacquisitionmode,alteringthesamplinginterval,remotedatatransfer,andsoon.

Accordingtotheuserrequirementanalysis,thecomputersoftwareimplementeddatamanagementandsafetyevaluationhasalsobeendesignedanddeveloped.Itprovidesclassifyingmanagementofmonitoringdata,displayingthequeryresultwithchartandtable,datacalculationandprocessing,andotherfunctions.AmethodofsafetyevaluationcombinedAnalyticHierarchyProcessandArtificialNeuralNetworkalgorithmsisadvancedinthepaper,andthecorrespondingsoftwarefunctionisachievedtoo.

Keywords:

long-spanbridge,healthmonitoring,dataacquisition,safetyevaluation,AHP,ANN

1绪论

1.1引言

大型桥梁的成功建造使“天堑变通途”的梦想成为现实，对改善道路交通状况和促进地区间的经济贸易发展起到了不可替代的作用。

大型桥梁是道路交通系统中的主干枢纽，维系着国民经济的命脉，是国家基础设施建设的重要组成部分。

武汉长江大桥和南京长江大桥的先后建成通车，开创了我国大型桥梁的建造历史。

上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥的相继建成更是标志着我国现代桥梁建设技术已跻身世界领先行列。

20世纪的后二十年，我国还建造了汕头海湾大桥、广东虎门大桥、西凌长江大桥、厦门海沧大桥和跨度1385米的江阴长江大桥等现代悬索桥。

21世纪之初，又兴建了万县长江大桥、南京长江二桥、上海卢浦大桥等重大工程项目。

即将于2005年5月1日建成通车的润扬长江大桥，其南汊桥为跨径1490米的单孔双铰钢箱梁悬索桥，是目前“中国第一、世界第三”的大跨径悬索桥。

建设中的苏通（苏州至南通）长江大桥则将以主跨1088米成为世界第一跨度斜拉桥。

此外，我国第一座真正意义上的跨海大桥——上海东海大桥，也有望于2005年年底建成通车。

该桥总长31.5公里，能抵抗7级地震和12级台风，桥下可通航万吨级海上货轮。

而于2003年6月奠基、预计2008年竣工的宁波杭州湾跨海大桥，是目前世界上已建和在建中最长的跨海大桥。

建造大型桥梁需要投入巨额资金（江阴长江大桥总投资62.7亿元、润扬长江大桥总投资57.8亿元、杭州湾跨海大桥总投资118亿元），耗费大量的人力和物力。

然而随着自然环境的侵害、交通负荷的递增以及桥龄的增长，大型桥梁的安全事故屡有发生，造成的经济损失和人员伤亡触目惊心。

1996年12月，广东韶关特大桥倒塌，造成32人死亡、59人受伤。

重庆篡江彩虹桥钢管焊接存在严重缺陷，在没有质量验收的情况下于1999年1月4日坍塌，造成40人死亡、10余人受伤，社会影响恶劣。

2000年8月27日，台湾省连接高雄与屏东的交通要道上的高屏大桥突然拦腰断裂，16辆汽车坠入河中，22人受伤[1]。

2001年11月7日，四川省宜宾市的南门大桥发生桥面局部垮塌，钢缆锈蚀是这起事故的主要原因。

2003年4月，1999年国庆建成通车的江阴长江大桥路面因长期超载而严重压溃，在使用了仅仅三年后被迫重新浇筑桥面，造成重大经济损失。

随着桥梁结构分析设计理论的不断完善，建筑材料和施工技术的长足进步，大跨度桥梁结构的轻柔化成为必然趋势。

这对桥梁建成后的安全维护提出了更高要求，大型桥梁的安全运营也成为日益突出的社会问题[2]。

新建的大型桥梁多数设有常规的桥梁管理机构，其主要职能通常包括路政管理、征收车辆通行费以及对桥梁设施的维修养护，但是桥梁的安全健康依然没有得到足够的重视。

我国迅速发展的经济形势造成了巨大的交通运输压力，不少桥梁的老化和功能退化已呈现加速趋势，因而实现对桥梁结构的长期健康监测和安全状态评估显得尤为必要。

目前，大型桥梁结构的健康监测技术和状态评估理论在国内外已经受到广泛关注，正在成为学术界和工程界的研究热点。

1.2桥梁健康监测系统

1.2.1桥梁健康监测的概念

桥梁是复杂的大型土木结构，而Housner等人对“结构健康监测与评估”的定义是：

一种结合无损检测技术（NDT，NonDestructiveTesting）和结构特性（包括结构响应）分析方法，从处于营运状态的结构中获取特征数据并进行分析处理，进而评估结构的主要性能指标（如可靠性、耐久性）的有效方法[3-5]。

因此，桥梁健康监测的主要目标是判断桥梁结构是否有损伤发生，确定损伤的位置，估计损伤的严重程度，并预计损伤将会引发的后果和桥梁的剩余承载能力。

1.2.2桥梁健康监测的意义

合理保守的设计是结构安全的根本保证，但是限于当前对大型复杂结构的认知程度，人们对许多未知因素都不能准确预测和有效控制，只有借助先进的检测手段来了解桥梁的安全状况。

传统的桥梁保障体系以人工定期检测为主要特征，测试手段虽然较20世纪七八十年代有了长足进步，但其固有缺陷依然存在。

人工检测需要预先知道损伤发生的大概位置，不易发现某些重要结构的内部损伤，无法检查人员和设备难以到达的部位。

而且检查结果需要专业人员解释判断，带有很大主观性。

此外人工检测周期长，不能应付突发事件，难以为桥梁管理部门及时提供决策依据。

结构健康监测技术的兴起为桥梁的安全保障另辟蹊径，可以彻底克服人工检测的滞后性和低效性。

其方法主要是运用现代传感技术与通信技术，通过实时获取结构状态和环境信息的各种数据，监测桥梁运营阶段的结构行为与动态响应，并依靠智能分析软件评估桥梁结构的安全状态。

桥梁健康监测的意义主要有以下几个方面[6-8]：

1可以实时掌握桥梁现场的交通状况，有利于桥梁管理部门进行合理的交通管制。

2可以及早发现桥梁病害，确定桥梁损伤部位并进行定性或定量分析，在突发事件之后还可以评估桥梁的剩余寿命，为维修养护和管理决策提供依据和指导。

3可以在桥梁运营状况严重异常时触发预警信号，有效预防安全事故，保障人民生命财产的安全。

4可以验证桥梁结构的设计模型和计算假定，提高人们对大型复杂结构的认识，为实现桥梁结构的“虚拟设计”奠定基础。

1.2.3桥梁健康监测系统的发展[8,9]

桥梁的安全检测始于20世纪50年代，而1967年12月俄亥俄河上的一起导致46人丧生的桥梁倒塌事故促使美国于1971年制定了国家桥梁检测标准（NBIS），用于全面指导桥梁检测的各个环节。

20世纪80年代后，国外已有为数不少的大型桥梁建立了较为完备的健康监测系统。

佛罗里达州SunshineSkyway斜拉桥上安装有一套综合设备，用来测量桥梁的应变、位移和温度，可同时通过近距离和远距离两种方式采集数据。

材料和结构在建造过程中随时间的变化特性可以通过分析测量数据得出。

苏格兰的Kingston桥上装有一套安全监测系统，能够远距离监测桥梁应变、位移、温度和风力变化，监测目的是为了帮助桥梁工程师在修复这座桥梁时避免倒塌事故。

其监控计算机还配备报警装置，能在风速或桥梁振动异常时提醒桥梁管理部门。

泰国的RamaIX桥和韩国的Namhae桥上都装有结构安全与完整在线警报系统（OASIS），可以探测异常风速和桥梁振动，长期监测桥梁动力特性参数并发现疲劳损伤。

英国在总长522米的三跨变高度连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器，监测大桥运营阶段在车辆与风力荷载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，同时监测结构温度场和环境湿度。

该系统是最早安装的较为完整的监测系统之一，实现了实时监测、实时分析和数据的网络共享[6]。

2000年在美国宾夕法尼亚州投入使用的CommondoreBarry大桥监测系统总共有100多个数据通道，这些通道的数据分别来自于应变仪、加速度计及摄像头，其监测系统以LabView为平台进行了集成。

建立健康监测系统的典型桥梁还有英国主跨194米的Flintshire独塔斜拉桥[10]、日本主跨为1990米的明石海峡大桥和主跨1100米的南备赞濑户大桥、丹麦主跨1624米的GreatBeltEast悬索桥、挪威主跨为530米的Sk