上海市中小桥梁安全性能动态监测与分析系统ppt

上海市中小桥梁安全性能动态监测与分析系统上海市公路管理处金山区公路管理署同济大学桥梁工程系2005年9月16日汇报主要内容课题的目的和意义系统总体结构与数据库研发桥梁监测系统设计与研究结构安全性能评估理论研究系统应用实例结论与展望研究的背景和目的桥梁管理系统桥梁动态监测系统背景工程与研究内容课题的目的和意义研究的背景和目的研究背景桥梁是交通运输的关键节点初始缺陷、结构退化与超载导致桥梁结构承载能力降低桥梁安全性能影响到人民生命财产安全桥梁管理系统、大型桥梁健康监测系统是目前桥梁管理的主要方式研究目的桥梁管理系统的检测和评估方法无法准确反映桥梁实际工作状态的安全性大型桥梁健康监测系统投入庞大，无法推广使用研究新型桥梁安全动态监测与分析系统桥梁管理系统动态监测系统{桥梁安全动态监测与分析系统桥梁管理系统（BMS）现状桥梁管理系统美国：国家桥梁档案数据库（1968）、PONTIS系统交通部：公路桥梁管理系统（CBMS2000）同济大学桥梁工程系：杭州市城市桥梁管理系统、常州市城市桥梁管理系统上海市公路管理处、同济大学道路与交通工程系：上海市桥梁管理系统目前应用的桥梁管理系统大部分为网络级管理系统，均未添加桥梁动态监测模块动态采集监测数据，对桥梁的整体性能进行实时监测和智能评估，为管理决策提供依据。主要功能：桥梁动态监测系统桥梁监测数据动态采集监测数据智能化加工处理桥梁结构安全性综合评估金山区红旗港桥（梁式桥）为研究背景系统总体构架研究动态监测数据采集系统研究结构安全性评估理论研究动态监测、综合评估系统设计与开发返回主目录背景工程与研究内容系统开发思路与开发基础系统结构设计数据库系统设计系统总体结构与数据库研发以现有桥梁管理系统的研究成果为基础，对动态监测评估系统进行深入研究。桥梁管理系统开发平台的基础功能系统开发思路与开发基础基于C/S结构、GIS平台的数据库网络系统层次分析法、变权综合理论为基础的桥梁缺损状况评估方法实时维修帮助系统、信息分析、报表打印等功能系统结构设计系统整体框架地理信息系统桥梁安全性能动态监测与分析系统静态信息管理动态信息管理监测数据采集系统桥梁评估系统分析与报表系统桥梁检修帮助系统监测数据采集系统桥梁综合评估系统静力参数与监测仪器传感器优化研究监测数据采集体系远程数据采集模块层次分析法变权综合理论监测评估模型综合状态评估结构参数识别研究动态监测评估研究桥梁动态监测系统框架设计流程数据库系统设计服务网络结构设计用户界面设计数据库设计数据库综合系统台式电脑打印机笔记本电脑路由器服务器显示器绘图仪扫描仪信息数据库管理终端电脑输入输出设备台式电脑台式电脑服务网络结构C/S网络结构返回主目录数据库设计MSSQLServer2000数据库桥梁动态监测参数静力参数监测仪器监测数据采集体系传感器优化配置简支梁传感器优化实例桥梁监测系统设计与研究桥梁动态监测参数动态监测采用结构静力参数指标静力参数监测具有稳定性高、可采集性强、经济性好等特点选取应变、挠度作为动态监测的静力参数应变监测挠度监测静力参数监测{{稳定性可采集性经济性静力参数监测仪器应变监测仪表面式振弦应变计灵敏度1挠度监测仪m电容式静力水准系统测量精度10监测数据采集体系无线采集传输系统传感器、放大器系统应变传感器放大器应变传感器放大器…………位移传感器放大器位移传感器放大器……………………其他传感器放大器其他传感器放大器…………数据采集传输系统应变数据采集位移数据采集其他数据采集……电子数据传输数据处理存储系统原始数据处理桥梁结构信息输入桥梁信息数据库无线传输传感器优化配置准则传感器优化配置识别误差最小准则模型缩减准则插值拟合准则模态应变能准则本项目研究采用识别误差最小准则本项目研究采用遗传算法进行优化计算遗传算法（GA）是一种高效并行优化搜索方法，可以搜索全局最优解。传感器优化配置计算方法非线性规划优化方法序列法推断算法随机类方法遗传算法设定目标函数按照误差最小准则，最终控制目标为控制截面挠度f的误差最小测点优化布置的目标函数为：M(x)：控制截面位置单位荷载产生弯矩M测：测量弯矩,1(),,minfnfMxMEInn测梁桥应变测量值截面弯矩值byEIM△△△△△△△△△111111111112123221233niiiiiiiiiniiiiiiiiMxMxfxMMxMxMMEIMxMxMxMxxMMEIiMbEIy111122233niiiifiibMxMxMxMxxy目标挠度的传递误差函数111,,122minmin33niiiifinnibMxMxMxMxxy优化目标函数给定桥梁监测系统，应变测量误差δ、梁底面到中性轴的距离为常数，优化目标函数：其约束条件：by111,,122minmin33niiiifinniMxMxMxMxx10110iiijniixxxxl约束条件为：123123123,,222122313123,,min,,1min2fxxxxxxxxxxxxxxxxxx12312380,,8xxxxxx简支梁传感器优化实例16m跨径预应力混凝土简支梁桥，应变传感器安装在梁底，测点数目拟为5个考虑到结构的对称性，半结构的优化目标函数为：非线性方程求解采用遗传算法求解123,,[2.6642,2.6637,2.6721]xxx123xxx/6l/6l/6l/6l/6ll/6优化最优解返回主目录桥梁结构评估方法安全评估框架模型结构参数识别参数识别的非线性算法荷载水平评估结构状态综合评估结构安全性能评估理论研究目前已有的评估方法桥梁结构评估方法基于外观调查的方法基于设计规范的方法基于荷载试验的方法基于专家经验的评估方法专家意见调查基于结构可靠度理论的评估方法本研究采用基于动态监测数据的综合评估方法通过荷载试验进行结构参数识别建立接近真实结构的结构有限元分析模型建立结构荷载～效应之间的关系监测数据采集与无线传输对结构的工作安全性能进行综合评估安全评估框架模型新建桥梁建立结构有限元初始模型参数识别、有限元模型修正传感器及采集系统安装监测数据采集监测数据后处理结构系统建立（有限元模型）监测系统直接输入承载能力评估荷载水平评估①②③传感器及采集系统安装监测数据采集监测数据后处理监测系统建立结构有限元初始模型荷载试验参数识别、有限元模型修正服役桥梁分检结构状态集结构工作性能状态可视化监控计算监测数据指标底层评价值、权重按层次分析法评估结构综合状态结构是否处于安全状态对结构进行全面检查作出决策：限载通行或对桥梁进行维修、加固正常养护是否工作性能状态评估安全评估框架模型结构参数识别结构参数识别在桥梁结构评估中的作用通过荷载试验与结构原始模型的比较，对原始模型的参数值进行修正，从而获得与实际结构接近的结构实际模型结构参数识别的计算方法参数的优化估计方法——令结构静态残差列向量的范数最小来实现。()Ep建立目标函数：minJ(p)为结构静态反应误差列向量为结构静态应变误差向量为结构静态位移误差向量)(12)()()()(mNiiTpepEpEpJ)(pE)(pEs)(pEf参数识别优化目标函数结构静力效应误差向量总体节点位向量：Nf个测量自由度上计算位移向量：结构的位移误差向量：1UKpF111fdoffdofNNNNUKpF1111dofNfdofffmfNNNNEpKpFU位移误差向量总体单元应变向量：Ns个应变测量点上计算应变向量：结构的应变误差向量：nnnUb11dofdofssNNNNUB1111dofNssdofsmsNNNNEpBKpF应变误差向量参数识别的非线性算法非线性最小二乘问题Gauss-Newton法Levenberg-Marquardt法)(12)()()()(mNiiTpepEpEpJGauss-Newton法1()TTpSpSpSpEp1pSpEpG-N法的迭代公式ppEpS][为灵敏度矩阵在利用G-N算法的结构参数识别过程中，可能会因为待识别参数的初始值取值不当而使得识别结果失真L-M方法是对G-N方法在迭代矩阵奇异时的一种修正，即在G-N法迭代矩阵中添加一个阻尼项L-M法的迭代公式1()TTpSpSppEISpILevenberg-Marquardt法进行一连续梁结构的数值模拟计算，单元的抗弯刚度（EI）作为待识别参数G-N法、L-M法的识别效果待识别参数参数真值识别1识别2识别3初始值识别结果迭代次数9初始值识别结果迭代次数7初始值识别结果迭代次数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)64.5e56.0e54.4986e55.0e54.5050e55.0e54.4954e5备注迭代到第9次后矩阵奇异，(EI)1完全失真与真值比较最大误差(EI)2达17.92％最大误差(EI)1为8.87％不同初始值用G-N法的识别效果待识别参数参数初始值参数真值G-N法L-M法（μ＝1e-20）L-M法（μ＝1e-19）迭代次数：9迭代次数：5迭代次数：27识别结果相对误差％识别结果相对误差％识别结果相对误差％(EI)14.5e53.0e5-3.5925e119－3.1080e53.602.9119e5-2.94(EI)24.5e53.0e53.7474e524.93.3516e511.72.5893e5-13.7(EI)39.0e56.0e56.0042e50.075.9380e5-1.036.5332e58.89(EI)49.0e56.0e56.0030e50.056.1480e52.476.1822e53.04(EI)56.0e54.5e54.4957e5-0.0954.2474e5-5.614.0590e5-9.80(EI)66.0e54.5e54.4986e5-0.0314.6569e53.494.8802e58.45G-N法、L-M法的收敛性比较荷载水平评估中小桥梁可以建立起荷载与效应关系的数学模型，以车辆荷载大小为未知量构造监测截面内力影响线函数构造车辆荷载影响线函数截面监测效应峰值力学量转换通过车辆荷载影响线函数由内力峰值反演计算车辆荷载明确问题划分和选定有关因素建立层次构造各