桥梁混凝土结构健康诊断的理论和方法

1 第一章 健康诊断体系 .......................................................................................................... 2

§1.1 基于原位监测的健康诊断体系 ................................................................................................ 2 第二章 监控模型 .................................................................................................................. 3

§2.1 监控模型 .................................................................................................................................... 3 §2.2 因果分析模型---基于积分概念的健康诊断的因果分析模型 ................................................ 3 2.2.1 车辆荷载........................................................................................................................................ 3 2.2.2 温度荷载........................................................................................................................................ 5 2.2.3 时效分量........................................................................................................................................ 6 2.2.4 效应量—监控模型 ........................................................................................................................ 6

§2.3 因果分析模型---基于遗传模拟退火算法的健康诊断的因果分析模型 ................................ 7 2.3.1 遗传模拟退火算法的实现 ............................................................................................................ 7

§2.4 因果分析模型---基于偏最小二乘回归法的健康诊断的因果分析模型 ................................ 8 §2.5 因果分析模型---桥梁健康诊断的组合因果分析模型 ............................................................ 8 第三章 诊断标准 .................................................................................................................. 9

§3.1 监控模型的诊断标准 ................................................................................................................ 9 §3.2 结构健康控制指标的诊断标准 .............................................................................................. 10 3.2.1 力学解释...................................................................................................................................... 10 3.2.2 变形控制指标的诊断标准 ........................................................................................................... 11 3.2.3 应力应变控制指标的诊断标准 .................................................................................................. 12

§3.3 时效分量的诊断标准 .............................................................................................................. 12 §3.4 桥梁结构整体健康等级及标准 .............................................................................................. 13 3.4.1 整体健康等级 .............................................................................................................................. 13 3.4.2 整体健康等级的标准 .................................................................................................................. 14 2

第一章 健康诊断体系 §1.1 基于原位监测的健康诊断体系 原位监测资料及其分析成果是重大桥梁混凝土结构健康诊断的定量依据，构造的基于原位监测的健康诊断体系如下图所示。

桥梁结构变形应力应变水平位移垂直位移应力（变）温度裂缝动挠度三角网几何水准静力水准应变计应力计温度计双向单向测点测点测点测点测点诊断模型因果分析健康标准综合诊断ⅠⅡⅢⅣ

ⅥⅦ

纵向位移几何水准静力水准

测点Ⅴ

原位监测的健康诊断体系 基于原位监测的健康诊断体系包括七层。第一层为需诊断的桥梁结构的健康状态；第二层为反映结构健康的变形、应力等监测类别；第三层为第二层的效应量；第四层为第三层的监测方法；第五层为监测方法的测点；第六层为依据测点的测量值，并依据集成和融合的原则，建立桥梁结构健康诊断的因果分析模型、健康标准和诊断模型；第七层为依据第六层的诊断结果，建立桥梁结构健康综合诊断。 3

第二章 监控模型 §2.1 监控模型 采用监控模型对桥梁结构健康进行定量分析与评价，即监测效应量一般分解为车辆荷载分量、温度荷载分量以及实效分量，即

VTgYYYYY （式1）

式中：Y为监测的效应量，如变形、应力（变）；VY为车辆荷载分量，即车辆荷载作用对效应量的影响量；TY为温度分量，即温度荷载作用对效应量的影响量；Y为时效分量，即因徐变（蠕变）或结构形态（或监测系统）变化等引起的影响量；gY为其他分量，如结构裂缝引起结构变形的影响量等。

§2.2 因果分析模型---基于积分概念的健康诊断的因果分析模型 2.2.1 车辆荷载 由于作用在桥梁结构上的车辆荷载大小不确定，位置不确定，所以无法用准确的公式描述车辆荷载分量引起的效应量值。这里将车辆荷载从监测数据的效应量中滤掉。那么剩下的效应量值就是由温度分量和实效分量组成的。滤掉车辆荷载是从统计学的角度进行的。下面以效应量是挠度值为例进行说明。监测到的挠度值是包括车辆荷载分量、温度分量、实效分量三者组成的。监测数据内容为挠度值、传感器采集相应挠度值时对应的时间、传感器采集相应挠度值时对应的温度。下面一一个传感器采集到的数据为例画出挠度随时间变化的曲线。如下图所示： 4

050100150200250300350400450500-20020406080100 如果没有车辆荷载的影响，由于温度的因素，桥梁挠度曲线在一年当中应该呈现周期性的变化。大致应呈正弦曲线。上图可能由于采集挠度值的传感器由于一些因素引起位置的变化，所以在第100天和第200天左右时挠度值产生阶跃。分析要从200天之后的数据进行，因为监测的挠度值都是以一个基准值为标准的，传感器位置的变化就会引起基准值的改变。基准值一旦改变就会使监测到的挠度不准确。为方便观察取出上面图形当中的一个时间段，蓝线表示总的挠度值与时间的关系曲线。从图形可以看出挠度曲线是由无数个小的突变图形组成的。这里认为这些小的突变就对应车辆荷载引起的挠度效应量。滤掉车辆荷载采用的方法是用matlab软件编写程序取平均值使挠度曲线光滑。例如第i个数据点的挠度值，取其前面一点的挠度值和后面一点的平均值，进行多次这样的循环操作得到的值作为该点滤掉车辆荷载的挠度值。经过多次这样的操作。挠度曲线就去除了突变值变得光滑。如下图所示,蓝线表示监测到的总的挠度值与时间的关系曲线，红线表示滤掉车辆荷载后的挠度值与时间之间的关系曲线。