基于协整和多变量控制图的大型桥梁结构安全状态评估方法研究

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1、基于协整和多变量控制图的大型桥梁结构安全状态评估方法研究重庆大学硕士学位论文(专业学位）学生姓名：秦平指导教师：刘纲副教授兼职导师：王耀伟教授级高工学位类别：工程硕士（建筑与土木工程领域）重庆大学土木工程学院二O一五年五月ConditionAssessmentbasedonCointegrationandmultivariatecontrolchartforlarge-spanbridgesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheP

2、rofessionalDegreeofCivilEngineeringByQinPingSupervisedbyAss.Prof.LiuGangPluralisticSupervisedbySeniorEng.WangYaoweiSpecialty:ME(ArchitecturalandCivilEngineeringField)CollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2015中文摘要摘要大型桥梁结构健康监测通过实时获取结构的劣化状况和及时预警，能降低桥梁的

3、维护费用以及防止垮塌等突然性事故，已成为当今土木工程学科的研究前沿。运营状态下桥梁结构的响应受到环境温度、荷载等作用的影响，直接采用监测数据较难发现结构的损伤；同时因大型桥梁结构十分复杂，有限元模型的理论计算结果无法与实桥监测数据相符，导致基于恒定环境和有限元模型的安全状态评估很难应用于大型实际桥梁。本文根据桥梁结构在温度、荷载作用下各测点的应变、位移响应具有共同变化趋势的特点，基于协整理论建立影响效应的分离算法；根据损伤前后结构响应的统计量将发生改变的特点，采用多变量控制图来识别结构的损伤，避免了复杂的有限元建模以及理论计算与实桥测试不符的缺点，

4、为健康监测在大型桥梁中的实际应用提供方法支撑。论文的主要研究内容和结果如下：①通过对大型桥梁中主要荷载作用类型的分析，将各种作用简化为集中荷载、均布荷载和温度荷载共三种作用。基于结构力学原理，推导三种作用下简支梁模型不同测点之间的挠度变化规律，结果表明在相同作用下，结构各点挠度之间呈线性变化趋势；②将结构响应的长期监测数据组成时间序列数据，采用Johansen方法确定数据的协整模型，通过模型计算的协整余量数据表示剔除影响效应后的结构响应数据，从而基于协整理论建立影响效应的分离方法。数值算例和有限元模型算例表明，该方法能有效分离温度、车辆荷载等影响效

5、应；③通过对控制图中平均运行链长、均值变化量、平滑参数和控制线等参数取值的优化分析，采用协整余量数据建立基于多变量控制图的桥梁结构安全状态评估方法。在此基础上，通过对协整计算所包含传感器通道的取舍，提出单处和多处损伤部位的判断算法。数值算例和有限元模型算例的结果表明多变量控制图能识别结构单处及多处出现的损伤；④将影响效应分离方法和多变量控制图方法应用于某连续刚构桥中，通过长期监测的挠度、应变和温度数据对桥梁的安全状态进行评价，评价结果与人工检测结果一致，表明本文方法能成功应用于大型桥梁的结构安全状态评估。关键词：安全状态评估，损伤识别，影响效应，协

6、整，多变量控制图I英文摘要ABSTRACTLarge-scalebridgestructuralhealthmonitoring,withitsreal-timeacquisitionofbridgestructuredegradationconditionandtimelywarning,canreducethemaintenancecostsofbridgeandpreventsuddenaccidentssuchasbridgecollapse,whichmakesbridgestructuralhealthmonitoringtherese

7、archfrontierincivilengineering.Withtheimpactofenvironmenttemperature,load,etc,operatingbridgestructuredegradationisdifficulttofinddirectlythroughthemonitoringdata.Atthesametime,duetothecomplexstructureoflargebridge,thetheoryoffiniteelementmodelcalculationresultscan'tbeconsiste

8、ntwiththebridgemonitoringdata,leadingtofactthatthesafetystate