基于监测数据的悬索桥温度场效应分析及预警体系研究

作     者：向苏仁浩 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张雪松

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：大跨径悬索桥 温度效应分离 温度场 多级预警 动态预警 

摘      要：为了保证大跨径悬索桥的运营与结构安全,结合实际工况设置合理的预警阈值,并依托健康监测系统实现动态预警很有必要。本文以重庆江津白沙长江大桥为研究对象,先后对悬索桥进行挠度温度效应分离、悬索桥温度场模拟、大跨径悬索桥预警指标设计、悬索桥动态预警四个板块展开研究,从而设定了合理的预警阈值,并实现了动态预警。本文主要工作内容和成果如下: 本文所取得的主要研究成果如下: (1)大跨径悬索桥挠度特性及温度效应分离的研究与实现。通过对监测系统中温度与挠度的数据进行预处理,并在此基础上对两者进行相关性分析,发现两者之间存在较明显的负相关性。再采用变分模态分解法(VMD)对挠度信号进行分离,并对分离出的各频率数据进行重构,找到与温度相关性最强的组合。该方法可以较为准确的得到温度效应下桥梁的挠度,可用于其他桥梁进行温度效应分离。 (2)大跨径悬索桥温度场的研究与实现。通过收集2023年最具代表性天气的气象条件,利用有限元分析软件ABAQUS,构建钢箱梁与主缆的温度场模型,计算得到钢箱梁、主缆的表面温度,绘制其具体变化趋势,并与实测温度数据进行对比,发现通过有限元软件模拟得到的桥梁构件温度与实测温度存在误差,但整体误差控制在3%以内,所以用ABAQUS可以较为准确的进行温度场模拟。 (3)大跨径悬索桥预警指标的研究与实现。本文在对有限元模型相关参数修正的基础上,设置了蓝色、黄色、红色三级预警阈值。首先,以季节最不利温度与公路Ⅰ级设计活载的共同作用为蓝色预警阈值,在设置季节最不利温度效应时,考虑桥梁沿纵桥向的温度场变化情况,将该桥分为三个部分来赋予其温度值;其次,以95%保证率下的温度挠度效应与公路Ⅰ级设计活载的共同作用为黄色预警阈值,采用Pareto极值法来得到95%保证率下的温度挠度效应;最后,以规范要求的最不利荷载工况作为红色预警阈值。该三级预警阈值对季节温度变化有更精准的考虑,能够更为准确的对桥梁进行报警,也为今后同类桥梁预警阈值设置提供参考。 (4)大跨径悬索桥挠度预测及动态预警的研究与实现。通过对桥梁温度与挠度进行训练,得到其一一对应关系,建立BP神经网络模型,从而实现温度效应的预测,并将预测数据带入预警系统中,可实现桥梁动态预警,可及时预报超限情况,提前进行预警,对健康监测系统中传统预警方式进行补充。