上海市中小橋梁安全性能動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)ppt

1、上海市中小橋梁安全性能動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)上海市公路管理處金山區(qū)公路管理署同濟大學橋梁工程系2005年9月16日匯報主要內(nèi)容 課題的目的和意義 系統(tǒng)總體結構與數(shù)據(jù)庫研發(fā) 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究 結構安全性能評估理論研究 系統(tǒng)應用實例 結論與展望 研究的背景和目的橋梁管理系統(tǒng)橋梁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)背景工程與研究內(nèi)容 課題的目的和意義 研究的背景和目的研究背景橋梁是交通運輸?shù)年P鍵節(jié)點初始缺陷、結構退化與超載導致橋梁結構承載能力降低橋梁安全性能影響到人民生命財產(chǎn)安全橋梁管理系統(tǒng)、大型橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)是目前橋梁管理的主要方式研究目的橋梁管理系統(tǒng)的檢測和評估方法無法準確反映橋梁實際工作狀態(tài)的安全性大型橋梁健康監(jiān)

2、測系統(tǒng)投入龐大，無法推廣使用研究新型橋梁安全動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)橋梁管理系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)橋梁安全動態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)橋梁管理系統(tǒng)（BMS）現(xiàn)狀 橋梁管理系統(tǒng)美國：國家橋梁檔案數(shù)據(jù)庫（ 1968）、PONTIS系統(tǒng)交通部：公路橋梁管理系統(tǒng)（CBMS2000）同濟大學橋梁工程系：杭州市城市橋梁管理系統(tǒng)、常州市城市橋梁管理系統(tǒng) 上海市公路管理處、同濟大學道路與交通工程系：上海市橋梁管理系統(tǒng) 目前應用的橋梁管理系統(tǒng)大部分為網(wǎng)絡級管理系統(tǒng)，均未添加橋梁動態(tài)監(jiān)測模塊動態(tài)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，對橋梁的整體性能進行實時監(jiān)測和智能評估，為管理決策提供依據(jù) 。主要功能： 橋梁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)采集 監(jiān)測數(shù)據(jù)智能化

3、加工處理 橋梁結構安全性綜合評估金山區(qū)紅旗港橋（梁式橋）為研究背景系統(tǒng)總體構架研究動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究結構安全性評估理論研究 動態(tài)監(jiān)測、綜合評估系統(tǒng)設計與開發(fā)返回主目錄 背景工程與研究內(nèi)容系統(tǒng)開發(fā)思路與開發(fā)基礎系統(tǒng)結構設計 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計 系統(tǒng)總體結構與數(shù)據(jù)庫研發(fā) 以現(xiàn)有橋梁管理系統(tǒng)的研究成果為基礎，對動態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)進行深入研究。 橋梁管理系統(tǒng)開發(fā)平臺的基礎功能 系統(tǒng)開發(fā)思路與開發(fā)基礎 基于C/S結構、GIS平臺的數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡系統(tǒng) 層次分析法、變權綜合理論為基礎的橋梁缺損狀況評估方法 實時維修幫助系統(tǒng)、信息分析、報表打印等功能 系統(tǒng)結構設計 系統(tǒng)整體框架 橋梁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)框架設計流程 數(shù)據(jù)

4、庫系統(tǒng)設計 服務網(wǎng)絡結構設計用戶界面設計數(shù)據(jù)庫設計數(shù)據(jù)庫綜合系統(tǒng)服務網(wǎng)絡結構 C/S網(wǎng)絡結構返回主目錄數(shù)據(jù)庫設計 MS SQL Server2000 數(shù)據(jù)庫橋梁動態(tài)監(jiān)測參數(shù)靜力參數(shù)監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)采集體系傳感器優(yōu)化配置簡支梁傳感器優(yōu)化實例 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究 橋梁動態(tài)監(jiān)測參數(shù) 動態(tài)監(jiān)測采用結構靜力參數(shù)指標靜力參數(shù)監(jiān)測具有穩(wěn)定性高 、可采集性強、經(jīng)濟性好等特點選取應變、撓度作為動態(tài)監(jiān)測的靜力參數(shù)應變監(jiān)測撓度監(jiān)測靜力參數(shù)監(jiān)測穩(wěn)定性可采集性經(jīng)濟性 靜力參數(shù)監(jiān)測儀器應變監(jiān)測儀表面式振弦應變計靈敏度1 撓度監(jiān)測儀電容式靜力水準系統(tǒng)測量精度10 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集體系 無線采集傳輸系統(tǒng)無線傳輸傳感器優(yōu)化配置

5、準則 傳感器優(yōu)化配置 識別誤差最小準則 模型縮減準則 插值擬合準則 模態(tài)應變能準則 本項目研究采用識別誤差最小準則本項目研究采用遺傳算法進行優(yōu)化計算遺傳算法（GA）是一種高效并行優(yōu)化搜索方法，可以搜索全局最優(yōu)解。傳感器優(yōu)化配置計算方法非線性規(guī)劃優(yōu)化方法 序列法 推斷算法 隨機類方法遺傳算法設定目標函數(shù) 按照誤差最小準則，最終控制目標為控制截面撓度f的誤差最小 測點優(yōu)化布置的目標函數(shù)為： M(x)：控制截面位置單位荷載產(chǎn)生彎矩 M測：測量彎矩 梁橋應變測量值 截面彎矩值目標撓度的傳遞誤差函數(shù) 優(yōu)化目標函數(shù) 給定橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，應變測量誤差、梁底面到中性軸的距離 為常數(shù)，優(yōu)化目標函數(shù)： 其約束條件：

6、 約束條件為： 簡支梁傳感器優(yōu)化實例16m跨徑預應力混凝土簡支梁橋，應變傳感器安裝在梁底，測點數(shù)目擬為5個考慮到結構的對稱性，半結構的優(yōu)化目標函數(shù)為：非線性方程求解采用遺傳算法求解優(yōu)化最優(yōu)解返回主目錄橋梁結構評估方法安全評估框架模型 結構參數(shù)識別參數(shù)識別的非線性算法荷載水平評估結構狀態(tài)綜合評估 結構安全性能評估理論研究 目前已有的評估方法 橋梁結構評估方法基于外觀調查的方法基于設計規(guī)范的方法 基于荷載試驗的方法基于專家經(jīng)驗的評估方法專家意見調查基于結構可靠度理論的評估方法本研究采用基于動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合評估方法通過荷載試驗進行結構參數(shù)識別建立接近真實結構的結構有限元分析模型 建立結構荷載效應之

7、間的關系 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與無線傳輸對結構的工作安全性能進行綜合評估 安全評估框架模型 安全評估框架模型 結構參數(shù)識別結構參數(shù)識別在橋梁結構評估中的作用通過荷載試驗與結構原始模型的比較，對原始模型的參數(shù)值進行修正，從而獲得與實際結構接近的結構實際模型結構參數(shù)識別的計算方法 參數(shù)的優(yōu)化估計方法令結構靜態(tài)殘差列向量 的范數(shù)最小來實現(xiàn)。 建立目標函數(shù)： min J(p) 為結構靜態(tài)反應誤差列向量 為結構靜態(tài)應變誤差向量 為結構靜態(tài)位移誤差向量參數(shù)識別優(yōu)化目標函數(shù)結構靜力效應誤差向量總體節(jié)點位向量：Nf個測量自由度上計算位移向量：結構的位移誤差向量：位移誤差向量 總體單元應變向量：Ns個應變測量點上計算應

8、變向量：結構的應變誤差向量：應變誤差向量 參數(shù)識別的非線性算法非線性最小二乘問題 Gauss-Newton法Levenberg-Marquardt法Gauss-Newton法G-N法的迭代公式為靈敏度矩陣在利用G-N算法的結構參數(shù)識別過程中，可能會因為待識別參數(shù)的初始值取值不當而使得識別結果失真L-M方法是對G-N方法在迭代矩陣奇異時的一種修正，即在G-N法迭代矩陣中添加一個阻尼項L-M法的迭代公式Levenberg-Marquardt法進行一連續(xù)梁結構的數(shù)值模擬計算，單元的抗彎剛度（EI）作為待識別參數(shù)G-N法、L-M法的識別效果待識別參數(shù)參數(shù)真值識別1識別2識別3初始值識別結果迭代次數(shù)9初

9、始值識別結果迭代次數(shù)7初始值識別結果迭代次數(shù)13(EI)13.0e54.5e5-3.5925e1194.0e53.0318e53.5e52.7340e5(EI)23.0e54.5e53.7474e54.0e53.5377e53.5e53.0623e5(EI)36.0e59.0e56.0042e57.5e55.7604e56.5e55.9700e5(EI)46.0e59.0e56.0030e57.5e55.9937e56.5e56.0142e5(EI)54.5e56.0e54.4957e55.0e54.5039e55.0e54.5018e5(EI)64.5e56.0e54.4986e55.0e5

10、4.5050e55.0e54.4954e5備注迭代到第9次后矩陣奇異，(EI)1完全失真與真值比較最大誤差(EI)2達17.92最大誤差(EI)1為8.87不同初始值用G-N法的識別效果待識別參數(shù)參數(shù)初始值參數(shù)真值G-N法L-M法（1e-20）L-M法（1e-19）迭代次數(shù)：9迭代次數(shù)：5迭代次數(shù)：27識別結果相對誤差識別結果相對誤差識別結果相對誤差(EI)14.5e53.0e5-3.5925e1193.1080e53.602.9119e5-2.94(EI)24.5e53.0e53.7474e524.93.3516e511.72.5893e5-13.7(EI)39.0e56.0e56.0042

11、e50.075.9380e5-1.036.5332e58.89(EI)49.0e56.0e56.0030e50.056.1480e52.476.1822e53.04(EI)56.0e54.5e54.4957e5-0.0954.2474e5-5.614.0590e5-9.80(EI)66.0e54.5e54.4986e5-0.0314.6569e53.494.8802e58.45G-N法、L-M法的收斂性比較 荷載水平評估中小橋梁可以建立起荷載與效應關系的數(shù)學模型，以車輛荷載大小為未知量 明確問題 劃分和選定有關因素 建立層次 構造各層的判斷矩陣 檢驗判斷矩陣的一致性并修正判斷矩陣層次分析法 （

12、AHP）是多指標綜合評價的一種定量方法。它把定性因素定量化，并在一定程度上檢驗和減少主觀影響。 層次分析法步驟 結構狀態(tài)綜合評估底層評價指標評語檢查數(shù)據(jù)：參考公路養(yǎng)護技術規(guī)范，對橋梁構件的狀態(tài)描述進行等級劃分，對檢測數(shù)值按百分制進行無量綱化處理 監(jiān)測數(shù)據(jù)：有限元模型計算得到結構在評估荷載下的監(jiān)測指標的狀態(tài)極限值，對結構工作狀態(tài)進行等級劃分，確定監(jiān)測指標評估值評分及工作狀態(tài)變權綜合方法常權模式：變權模式：均衡函數(shù)：變權綜合方法較全面地反映結構各部分狀態(tài)的均衡性和重要性 下部結構墩（臺）基礎墩臺身支座臺帽、蓋梁基礎沖刷墩（臺）基礎11532墩臺身11533支座1/51/511/21/3臺帽、蓋梁1

13、/31/3211基礎沖刷1/21/2311權重0.32310.35160.060.12170.143精度指標 ,C.I=0.0094, R.I.=1.12, C.R.=0.00840.1變權綜合評估方法實例下部結構墩臺號墩臺評分墩（臺）基礎墩臺身支座臺帽、蓋梁基礎沖刷常權變權常權變權175.7574.96808080706068.156.73257.0939.178020807070371.5271.367070708070返回主目錄紅旗港橋簡介監(jiān)測儀器的架設 荷載試驗參數(shù)識別承載能力評定監(jiān)測評估系統(tǒng)實現(xiàn) 系統(tǒng)應用實例 紅旗港橋簡介 紅旗港橋位于上海市金山區(qū)亭衛(wèi)公路 跨徑 13m16m+13m

14、 橫向 18片板梁 監(jiān)測儀器的架設 應變測點8個，布置在中跨、邊跨跨中 撓度測點1個，布置在邊跨跨中 采用基于靜態(tài)應變及位移測量的結構參數(shù)識別方法，為建立結構實際有限元模型提供測試數(shù)據(jù)信息 為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，在應變監(jiān)測測點附近粘貼了電阻式應變片，對比數(shù)據(jù)顯示，荷載試驗的數(shù)據(jù)可靠，達到了預期的要求 荷載試驗加載工況 工況1、2：加載在1車道邊跨、中跨工況3、4：加載在2車道邊跨、中跨數(shù)據(jù)分析處理工況應變測點（單位：微應變）位移測點(mm)1234567810000-0.664028.2223.241.328-0.5521.9928.9648.310.9560-0.664400-0.0430

15、.6640-0.664-1.992-0.6643.65211.2894.98-0.1943.6525.3122.3240.664000.6640-0.05將EI作為識別參數(shù) 采用結構靜力優(yōu)化識別方法采用Gauss-Newton法求解非線性問題識別結果邊跨13m梁：中跨16m梁： 參數(shù)識別抗力計算評估荷載效應計算恒載內(nèi)力計算承載能力系數(shù)計算該橋具有較大的承載能力和潛力 承載能力評定 監(jiān)測評估系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)主界面監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理結構狀態(tài)綜合評估返回主目錄紅旗港橋結構狀態(tài)綜合評估結果良好，具有較大的承載潛力研究工作總結研究工作的創(chuàng)造性貢獻應用前景與研究展望 結論與展望 研究了一種基于靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)研究了一套監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 研究了一套基于靜態(tài)測試數(shù)據(jù)動態(tài)評估模型對背景工程進行了初步評估 研究工作總結開拓性地研究了中小橋梁基于靜態(tài)測試數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)，并應用于橋梁管理系統(tǒng)之中；根據(jù)實際需求研究了一套實用的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ，實現(xiàn)了動態(tài)遠程數(shù)據(jù)采集與傳輸；提出了一種基于靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)評估模型，實現(xiàn)了中小橋梁工作性能的定量評價； 研究工作的創(chuàng)造性貢獻研究采用傳遞誤差最小準則及遺傳算法實現(xiàn)了傳感器的優(yōu)化配置 ，研究了復雜結構橋梁中的應用；研究基于靜態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用