【摘要】： 在拱桥结构中,吊杆是关键的受力构件,但由于长期处于恶劣的环境和疲劳受力状态,吊杆往往因为环境腐蚀和疲劳损伤以及锚头锚锭磨损而发生断裂,导致桥梁倒塌,并因此造成严重的交通事故和人员伤亡以及带来巨大的经济损失和极坏的社会影响。因此发展一套吊杆损伤监测和安全评定方法,具有重要意义。 本文对吊杆内力、疲劳腐蚀、防腐砂浆失效等损伤进行了监测,提出了一套较为实用的监测、评定和腐蚀疲劳寿命预测方法,并通过实际工程检验了所提方法有效性和正确性。其主要研究内容如下: 首先,针对吊杆内力识别的频率测试法都是基于弦振动理论、在实际应用中可能带来不可接受误差的弊端,提出了一种基于频率测试的吊杆内力识别的神经网络方法,给出了神经网络的具体设计步骤和优化方法。运用20多座桥梁的200多组数据对设计好的网络进行了训练,得到了吊杆内力预测较为精确的神经网络模型,并通过工程实例验证了本方法的正确性。 其次,提出了拱桥吊杆应力变化的光纤光栅传感器监测方法。对现役拱桥提出对吊杆开窗直接布设裸光纤光栅传感器,并对它的波长与应变和温度的关系进行了理论分析,通过标定试验,得到传感器的应变与温度灵敏系数,提出并实施了现役拱桥吊杆光纤光栅传感器的布设工艺、布设后吊杆的修复方法以及光纤光栅传感器温度补偿方法;对新建拱桥吊杆提出用玻璃纤维-光纤光栅智能复合筋监测吊杆应力变化的方法,对复合筋在吊杆中布设工艺、根数、温度和应变灵敏系数以及如何与钢绞线协同变形进行了系统的研究;比较了不同直径纤维智能复合筋的极限应变,得出φ7mm的智能筋适用于监测吊杆应力变化;最后开发了取代式和粘结式两种智能吊杆,并通过张拉实验表明它们都能很好地监测张拉全过程的应力变化。 第三,提出吊杆拉伸损伤的声发射监测方法,得到了新旧钢绞线、单根吊杆拉伸损伤的声发射特征。首先根据声发射特征参数图提出了断丝信号和非断丝信号的判断方法,运用声发射直线定位技术准确定出了断丝的位置;其次,由声发射累积能量相关图,动态分析了钢绞线损伤演化过程和规律,判断了断丝的根数和发生的时刻;最后,基于得到的声发射参数,导出了声发射参数同损伤变量的关系,建立了用声发射累积能量相对变化表示的钢绞线拉伸损伤演化方程,采用声发射特征参数时间序列分形理论研究了钢绞线的损伤演化规律,并提出将分形维数变化图中“最大-最小”变化模式作为为钢绞线临界损伤破坏的判断依据。 第四,提出了吊杆防腐砂浆损伤全过程的声发射监测方法。首先,通过三点弯曲试验,得到了水泥砂浆梁破坏全过程力学特征和声发射特征,发现声发射计数的包罗曲线和荷载曲线具有良好的对应关系。然后,提出三种方法来预测它的损伤演化过程:1)速率过程分析方法,它的统计模型能有效预测声发射事件数和判断结构的状态;2)声发射信号幅值与声发射事件数关系图分析方法,声发射信号幅值包络线形状变化可以判断损伤的极限状态和损伤演化过程;3)分形算法,声发射特征参数在不同应力状态下时间序列分形维数变化规律能很好预测水泥砂浆临界破坏。最后,通过声发射机理分析,利用声发射能量的相对变化来定义水泥砂浆损伤因子,提出了用声发射参数表示水泥砂浆损伤演化方程的方法,并试验证明了损伤演化方程的正确性。 第五,提出了基于监测数据的拱桥吊杆疲劳累积损伤寿命评估方法。对危桥和正常运营两种不同状态的拱桥提出采用不同的方法来获得它的疲劳应力谱,结合实际桥梁监测的数据,给出了拱桥吊杆腐蚀疲劳累积损伤计算公式、步骤及数据处理方法;并对实际桥梁的某一根吊杆腐蚀疲劳累积损伤进行了预测,比较了有无腐蚀钢绞线累积损伤寿命,其评估结果与实际结果基本吻合。 最后,把上述监测和评定方法在四川峨边大渡河拱桥吊杆(系杆)得到了具体实施和应用,成功测试了各吊杆内力和监测了吊杆常见类型的损伤,基于光纤光栅监测数据正确地评价了吊杆安全状况,并根据测试结果分析了不同长度吊杆和同根吊杆不同钢绞线的受力特征;提出了基于监测数据识别车辆荷载大小的方法;利用布设在系杆中的玻璃纤维-光纤光栅智能复合筋成功地监测了系杆整个张拉过程,并指导了工程施工。 【关键词】：拱桥吊杆 健康监测 振动测试法 光纤光栅 声发射
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U448.22;U446
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2008.193158
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-18
• 第1章 绪论18-42
• 1.1 课题背景及意义18-20
• 1.2 桥梁结构健康监测的研究现状与发展趋势20-26
• 1.2.1 桥梁结构健康监测系统的基本框架20-23
• 1.2.2 研究现状与发展趋势23-26
• 1.3 拱桥吊杆的健康诊断方法26-40
• 1.3.1 拱桥吊杆结构及其缺陷特征28-29
• 1.3.2 拱桥吊杆损伤的无损检测与监测技术29-37
• 1.3.3 拱桥吊杆损伤安全评定方法37-40
• 1.4 本文的构思与研究内容40-42
• 第2章 拱桥吊杆内力识别的频率测试法与神经网络方法42-58
• 2.1 引言42-43
• 2.2 频率测试法基本原理43-49
• 2.2.1 一般边界条件下吊杆的频率方程43-44
• 2.2.2 两端简支边界条件下吊杆的频率方程及吊杆内力计算公式44-45
• 2.2.3 两端固结边界条件下吊杆的频率方程及吊杆内力计算公式45-49
• 2.3 频率测试法简化计算公式适应的范围分析49-50
• 2.4 基于频率测试的神经网络方法50-54
• 2.4.1 BP 网络50-54
• 2.4.2 BP 网络训练54
• 2.5 拱桥吊杆内力识别验证及比较54-55
• 2.6 吊杆内力识别的影响因素55-57
• 2.7 本章小结57-58
• 第3章 拱桥吊杆损伤的光纤光栅监测方法58-76
• 3.1 引言58-59
• 3.2 光纤光栅传感原理59-60
• 3.3 现役拱桥吊杆光纤光栅监测60-65
• 3.3.1 光纤光栅传感器布设工艺60-63
• 3.3.2 光纤光栅传感器标定试验63-64
• 3.3.3 现役拱桥吊杆光纤光栅传感器温度补偿技术64-65
• 3.4 新建拱桥吊杆光纤光栅监测65-70
• 3.4.1 GFRP 光纤光栅（GFRP-OFBG）复合筋的制作65-66
• 3.4.2 GFRP-OFBG 复合筋的传感特性66
• 3.4.3 不同直径GFRP-OFBG 复合筋的极限应变比较66-68
• 3.4.4 吊杆中GFRP-OFBG 复合筋的布设工艺68-70
• 3.5 GFRP-OFBG 智能吊杆试验70-74
• 3.5.1 粘结式智能吊杆拉伸试验70-72
• 3.5.2 取代式智能吊杆拉伸试验72-74
• 3.6 本章小结74-76
• 第4章 拱桥吊杆拉伸损伤的声发射监测方法76-97
• 4.1 引言76-77
• 4.2 声发射测试技术的基本原理77-81
• 4.2.1 声发射波动理论77-78
• 4.2.2 声发射信号分析方法78-81
• 4.3 钢绞线拉伸损伤的声发射特征81-89
• 4.3.1 新钢绞线拉伸损伤的声发射特性试验81-84
• 4.3.2 旧钢铰线拉伸损伤的声发射特性试验84-86
• 4.3.3 单根吊杆拉伸损伤的声发射特性试验86-89
• 4.4 钢铰线损伤演化的声发射特征参数表征89-92
• 4.4.1 声发射累积能量与拉伸变形的关系89-90
• 4.4.2 声发射特征参数表征的钢铰线损伤演化模型90-92
• 4.5 钢绞线损伤演化的声发射参数时间序列分形预测方法92-95
• 4.5.1 分形理论概述93
• 4.5.2 钢绞线拉伸损伤声发射过程的分形特征93-94
• 4.5.3 钢绞线损伤演化声发射过程分形分析94-95
• 4.6 本章小结95-97
• 第5章 吊杆防腐水泥砂浆损伤演化的声发射预测方法97-109
• 5.1 引言97-98
• 5.2 水泥砂浆破坏全过程声发射监测98-101
• 5.2.1 试验方案与加载装置98
• 5.2.2 试验结果与讨论98-100
• 5.2.3 水泥砂浆裂纹损伤位置确定100-101
• 5.3 水泥砂浆损伤演化过程分析101-105
• 5.3.1 声发射速率过程分析模型101-102
• 5.3.2 声发射幅值事件图分析102-104
• 5.3.3 水泥砂浆损伤演化的声发射参数时间序列分形预测方法104-105
• 5.4 水泥砂浆损伤演化的声发射参数模型及其失效预测105-108
• 5.5 本章小结108-109
• 第6章 拱桥吊杆基于监测数据的疲劳累积损伤寿命预测方法109-129
• 6.1 引言109-110
• 6.2 拱桥吊杆疲劳应力谱获取110-113
• 6.2.1 危桥吊杆疲劳应力谱获取110-113
• 6.2.2 正常运营拱桥吊杆疲劳应力谱获取113
• 6.3 局部弯曲应力对吊杆疲劳性能的影响113-116
• 6.3.1 风荷载作用下吊杆锚固端部角度变化分析114-115
• 6.3.2 吊杆不同位置处的弯曲应力变化115-116
• 6.4 吊杆累积损伤疲劳寿命预测116-122
• 6.4.1 拉索的S-N 曲线116-121
• 6.4.2 疲劳累积损伤准则121
• 6.4.3 等效应力幅的统计分析121-122
• 6.5 工程应用实例122-128
• 6.5.1 工程概况122
• 6.5.2 吊杆疲劳累积寿命预测122-128
• 6.6 本章小结128-129
• 第7章 四川省峨边大渡河拱桥吊（系）杆智能监测及安全评定129-151
• 7.1 引言129-130
• 7.2 四川峨边大渡河拱桥工程概况130-131
• 7.3 拱桥吊杆损伤的声发射监测131-137
• 7.3.1 有效声发射信号的确定131-132
• 7.3.2 拱桥吊杆损伤声发射测试方案132-133
• 7.3.3 声发射测试结果分析与讨论133-137
• 7.4 拱桥吊杆内力测试137-140
• 7.4.1 测试方案137
• 7.4.2 测试结果与讨论137-140
• 7.5 吊杆动态荷载效应测试140-145
• 7.5.1 同根吊杆不同钢绞线的受力情况141-142
• 7.5.2 不同长度吊杆荷载效应比较及其车辆荷载识别142-144
• 7.5.3 基于光纤光栅传感器监测数据的吊杆状态变化判断144-145
• 7.6 系杆张拉过程的GFRP-OFBG 复合筋监测145-148
• 7.6.1 GFRP-OFBG 复合筋的布设方法146
• 7.6.2 系杆张拉过程的GFRP-OFBG 复合筋监测146-148
• 7.7 系杆基于光纤光栅传感器监测数据的状态变化判断148-149
• 7.8 吊（系）杆光纤光栅离线监测系统149-150
• 7.9 本章小结150-151
• 结论151-155
• 参考文献155-169
• 攻读学位期间发表的学术论文169-172
• 致谢172-173
• 个人简历173