基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别
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第4l卷第2期 东南大学学报(自然科学版) Vo1.4l No.2 2011年3月 JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(Natural Science Edition) Mar.2011 doi:10.3969/j.issn.1001—0505.2011.02.024 基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别 邓 扬 李爱群 丁幼亮 孙 鹏 (东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096) 摘要:以润扬大桥悬索桥148 d的健康监测数据为对象,通过分析伸缩缝位移和环境条件的相关 性,去除了温度、交通荷载等环境条件对伸缩缝位移的影响,并建立了桥梁伸缩缝的状态监测与 评估方法.分析结果表明:温度、交通荷载与伸缩缝位移具有显著的相关性,位移随着温度升高而 变大,随着交通荷载的增强而减小;风速和位移的相关性十分微弱,风对伸缩缝位移的影响可以 忽略不计;采用均值控制图的方法能够识别出由于结构损伤引起的伸缩缝位移1.0%的异常变 化,实现了伸缩缝异常状态的有效监测与识别. 关键词:结构健康监测;位移;伸缩缝;环境条件;悬索桥 中图分类号:U448.25 文献标志码:A 文章编号:1001—0505(2011)02-0336-06 Damage identiifcation of expansion joints in long span bridge using long-term monitoring data Deng Yang Li Aiqun Ding Youliang Sun Peng (Key Laboratory ofConcrete and Prestressed Concrete Structure ofMinistry ofEducation,Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract:Taking 148 d health monitoring data of Runyang suspension bridge as the study object, the effects of temperature,traffic loading and other environment conditions on the expansion joint displacements are eliminated based on the analysis of displacements and environmental conditions. And,the monitoring and assessment method of bridge expansion joints is presented.The results re— veal that temperature and traffic loading have remarkable correlation with displacements.The dis— placements are observed to increase wim the increase of temperature and decrease with the increase of trafifc loading.The correlation between wind speed and displacement is very weak and the effects of wind on the displacements can be ignored.The 1.O%abnormal changes of expansion joint displace— ments are detected using the mean-value control chart and hence the monitoring and identiifcation of expansion joints can be realized. Key words:structural health monitoring;displacement;expansion joint;environmental condition; suspension bridge 作为在桥梁结构缝隙中埋设的重要构件,伸缩 因此迫切需要有效的方法对伸缩缝的状态进行监 缝能满足桥梁由于温度变化、混凝土收缩与徐变、 测和评估.桥梁结构健康监测技术的发展为这一研 交通荷载引起的变形以及消减由于不均匀沉降所 究提供了契机 引,学者和工程人员可以根据健康 引起的上部结构的二次应力 .但是由于实际工 监测系统所采集的长期监测数据对伸缩缝的“健 程中存在着设计施工缺陷、管理维护不善及车辆超 康”状态进行识别,在此基础上为桥梁的维护、维 载等情况,使得伸缩缝发生损坏的情况较为严重, 修和管理决策提供依据和指导.国内外都对此进行 收稿日期:2010-08-23. 作者简介:邓扬(1984一),男,博士生;李爱群(联系人),男,博士,教授,博士生导师,aiqunli@Sel1.edu.cn. 基金项目:国家自然科学基金资助项臼(50808041,50978056)、国家教育部博士点基金资助项目(200802861011)、东南大学优秀博士学位 论文基金资助项目(YBJJ0923). 引文格式:邓扬,李爱群,丁幼亮,等.基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别[J].东南大学学报:自然科学版,2011,41(2):336 341.[doi:10.3969/j.issn.1001—0505 2011 02.024] 第2期 邓扬,等:基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤识别 337 了研究,但报道的文献较少一 . 由于位移变化规律表征了桥梁伸缩缝的健康 状态,因此这方面的研究都是以位移为对象.已有 研究工作表明,对于正常状态下的桥梁结构而言, 立了一种简单有效的大跨桥梁伸缩缝状态监测与 识别方法. 1 伸缩缝位移和桥梁环境条件监测 润扬大桥悬索桥在施工阶段就同步安装了结 构安全健康监测评估系统 卜喝],系统主要对悬索桥 的主缆和吊杆、主梁和桥塔的几何状态、静动力响 在温度等环境条件的变化影响下,各种观测数据会 在一个较宽的范围内波动,这种波动将淹没或掩盖 结构因局部损伤所造成的结构损伤特征参数的真 正改变 .现场实测研究表明,温度变化是引起伸 缩缝位移的最主要因素,例如Ni等 和作者 都 曾建立桥梁结构伸缩缝位移和温度的相关数学模 型,在此基础上识别伸缩缝的损伤,但对于交通荷 载、风荷载等其他环境条件对伸缩缝位移的影响规 律,目前国内外都还没有进行研究. 应、大桥所处的自然环境、交通荷载状况等进行实 时在线监测. 如图1所示,与本文梁端伸缩缝状态评估相关 的各类传感器的布置情况如下:①在主梁的南北 两端上下游分别安装了位移传感器,采样频率为1 Hz;②在主梁的北端、1/8截面、1/4截面和南端4 本文以润扬大桥悬素桥结构健康监测系统 148 d的监测数据为研究对象,详细研究了温度、 个截面共安装了27个温度传感器,采样频率为1 Hz(见图2,S ~S 为温度传感器编号);③在主梁 八分点截面处共安装了29个加速度传感器,采样 风以及交通荷载对悬索桥主梁伸缩缝纵向位移的 影响规律.首先建立了环境条件因素和位移的相关 性模型,得到了“环境条件归一化”的伸缩缝位移 值.在此基础上,应用统计过程控制图的方法对归 一频率为20 Hz;④在主跨跨中位置和南塔塔顶分别 安装了一个WA15风速仪,采样频率为1 Hz,本文 选取的是跨中风速仪的数据. 化的伸缩缝位移的异常变化进行了判别分类,建 图1伸缩缝位移及环境条件的监测示意图(单位:cm) 上 游 S6 图2润扬大桥悬索桥钢箱梁温度传感器布置图 2 伸缩缝位移和环境条件相关性分析 2.1温度一位移相关性模型 从图3还可以发现位移的变化范围较大,主梁北端 位移的变化区间为[一23.0 cm,28.7 cm],南端的 变化区间为[一20.6 cm,33.0 cm],由此可得伸缩 缝位移的年变化幅度为51.7和53.6 cm. 定量地评价温度对位移影响的前提是,建立温 度一位移的相关性数学模型.为此,采用线性回归分 在去除显著异常的数据之后,得到了2006年 1月__6月148 d的伸缩缝位移监测数据,在此基 础上以10 min为时间区间平均计算,得到了主梁 南北段的位移10 min代表值.图3给出了位移和 温度的相关性散点图,图中的温度值采用主梁所有 温度传感器测试值的10 min平均值作为温度代表 值.从图3可看出,伸缩缝位移与温度之间存在较 强的相关性,位移随钢箱梁平均温度的增加而逐渐 增大,随钢箱梁平均温度的减小而逐渐减小,表现 出“温度高位移大、温度低位移小”的特征.同时, 析建立平均位移d和平均温度 的相关性模 型 ,模型表达式为 d=/3o+卢lT 得到: (1) 式中, 和卢 为回归系数,可通过最小二乘的方法 338 东南大学学报(自然科学版) 第41卷 g \ 图3位移和温度的相关・性 卢 = (2) uI。I’ /3o=d一卢1T (3) 式中, 。 为位移与温度的协方差; 丌为温度的方 差; 和_丁分别为位移和温度的均值.表1列出了 温度和位移的线性回归模型. 表1 温度一位移的线性回归模型 位置 回归函数 北端 d=一17.668 1+1.oo3 2 7' 南端 d=一15.517 0+1.009 7T 2.2交通荷载一位移相关性模型 在研究交通荷载和风环境对位移的影响规律之 前,需要先将温度对位移的影响消除掉,即得到环境 温度归一化的位移值.消除温度影响的方法是基于 2.1节的温度一位移的线性回归模型将实测位移值 归一化到某一参考温度上.这里选取参考温度值为 20℃,将参考温度值代人线性回归模型,得到2个 伸缩缝的参考位移 ,同样地将实测温度值代人回 归模型,得到由温度影响所产生的位移计算值d ,这 样就可以计算得到消除温度影响的伸缩缝位移值: d:d 一(d 一 ) (4) 式中,d为温度归一化的位移值; 为位移实测值. 下面将分析温度归一化位移值和交通荷载的 相关性,采用悬索桥主梁竖向加速度响应的均方根 (root mean square,RMS)作为表征交通荷载的代 表参数 .首先挑选出小风速状态(10 min平均风 速小于2 m/s)的加速度响应数据,认为此时能对 位移产生影响的环境因素只有交通荷载,其次对挑 选的加速度响应进行低通滤波,截止频率为3 Hz, 通过滤波得到仅含有结构动力响应的加速度数据, 再以10 min为时间间距计算加速度响应的RMS 值.本文选取了图1中截面5的加速度响应数据, 图4给出了主梁南北端加速度响应RMS值和位移 的相关性散点图,从图中可以看出数据点的分布有 些分散,但是仍然可以看到加速度RMS和位移之 间具有明显的相关性,表现出“荷载大位移小、荷 载小位移大”的规律. 加速度均方根/(cm・S ) (a)北端 加速度均方根/(crfl・s ) (b)南端 图4位移和加速度均方根的相关性 为了定量地描述相关性,同样采用最小二乘的 方法建立位移值d和加速度响应RMS值(M)之 问的线性回归模型,表2列出了交通荷载和位移的 线性回归模型. 表2交通荷载一位移的线性回归模型 位置 回归函数 第2期 邓扬,等:基于长期监测数据的大跨桥梁结构伸缩缝损伤-/X ̄Jq 339 2.3风速一位移相关性模型 为了研究风速和位移的相关性,需要消除环境 条件中温度和交通荷载对位移的影响.2.2节中通 过将位移归一化至某一参考温度值的方式消除了 温度的影响,本节采用同样的方法消除交通荷载对 位移的影响,在此基础上再分析风速和位移的关 系.与式(4)类似,取加速度响应RMS参考值为 1 cm/s。,计算消除交通荷载影响的位移值,即 d=d 一(d 一d,) (5) 与式(4)不同,式(5)中d为消除了交通荷载影响 的位移值,d 为消除了温度影响的位移实测值,d 为将实测加速度响应RMS值代入表2得到的位移 计算值,d 为将加速度响应RMS参考值代人表2 得到的位移参考值. 图5给出了消除温度和交通荷载影响之后的位 移10 min平均值和风速10 min平均值的相关性散 点图.从图中可以看出南北端的相关性数据点分布 十分离散,这表明位移和平均风速的相关性很弱.为 了定量地描述这种微弱的相关性,表3列出了平均 风速 和位移d的最dxZ-乘线性回归模型. 0 4 8 12 16 U/(m・S ) (a)北端 0 4 8 12 16 f,/f111・S一 ) (b)南端 图5位移和风速的相关性 表3风速一位移的线性回归模型 位置 旦 鱼墼 北端 d=2.196 3—0.014 2U 南端 d=4.723 8—0.007 0U 2.4环境条件影响的消除 吕u\ 通过上述伸缩缝位移和环境条件的相关性分 5 4 3 2 1 O 8 7 析,可以得到以下结论:①温度是伸缩缝位移变化 的最关键影响因素,并且具有“温度高位移大、温 度低位移小”的特征;②交通荷载与位移的相关性 较弱但是仍较为显著,同时具有“荷载大位移小、 荷载小位移大”的特征,交通荷载对位移的影响不 可忽略;③南北两端的伸缩缝位移和主跨跨中的 10 min平均风速之间的相关性十分微弱,可以忽 略不计. 因此,为了应用位移监测数据准确地评价悬索 桥伸缩缝的状态,将温度和交通荷载这2种环境条 件对位移的影响剔除掉是十分必要的.为此,本文 提出了以下方法: ①消除温度影响.采用表1给出的温度一位移模 型将伸缩缝位移实测值归一化至某一参考温度值. ②消除交通荷载的影响.采用表2给出的加 速度响应RMS一位移模型将步骤①得到的位移值 归一化至某一参考加速度响应RMS值. ③消除位移变化的随机性.采用多样本平均 的方法计算步骤②得到的位移值的日平均值,以消 除位移实测值所包含的随机性. 图6给出了润扬大桥悬索桥伸缩缝位移的1 d 的平均实测值和环境归一化值,共148个样本.从 图6可以看出,本文给出的方法有效地去除了环境 条件对伸缩缝位移的影响,进一步观察可以发现, 图中南北端的位移归一化值曲线变化都很平稳,且 幅度很小,这说明通过多样本平均的方法可以有效 地去除位移实测值所包含的随机性.以上分析证 明,采用本文方法所提取出来的环境条件归一化位 移值可以较准确地反映伸缩缝的状态,在此基础上 可以实现对伸缩缝在线实时监测与评估. 2O g 10 0 一10 —20 3O 吕20 1O 0 10 —2O 图6 日平均位移实测值和环境归一化值 6 东南大学学报(自然科学版) 第41卷 3基于位移的伸缩缝状态评估 3.1均值控制图 为了利用环境归一化的位移值对悬索桥的伸 缩缝进行监测和状态评估,本文提出采用控制图的 方法对位移的异常变化进行统计模式识别。控制图 有上、下2条控制线,可以由处于正常控制状态的 样本计算得到,当样本出现异常变化时,样本将会 在图上显示超出控制线,这种情况将触发预警. 本文采用了均值控制图的方法.均值控制图是 统计假设检验的图上作业法,在均值控制图上每描 一个点就是做一次统计假设检验,而且假设检验是 用一种可视的形式表示出来,可以用来判断过程是 否超出控制.其基本原理是:假定正常状态下的时 间序列服从于某一分布函数,其均值和方差分别是 和 ,这样就可以分别确定控制图的中心线 (CL)、上控制线(UCL)和下控制线(LCL),这3 条水平直线的位置分别是 , + 和 一 .其 中k的值可以通过使得序列中样本都位于控制线 之内来确定,当样本序列中出现新的样本时,若样 本点落在控制线之间,认为该样本点正常,相反若 是落在控制线之外,则认为过程出现了异常¨…. 3.2在伸缩缝状态评估中的应用 本节应用均值控制图来监测由于伸缩缝损伤 所引起的实测位移的变化.首先定义伸缩缝的状态 指标e为环境归一化的位移值和年均值之间的差 值: e=d 一 (6) 式中,d 为环境归一化的位移日平均值;d 为位移 日平均值的年平均值,以此作为伸缩缝正常状态的 基准值.图7给出了采用148 d位移日平均样本计 算得到的均值控制图.图中前100 d数据为训练样 本,后48 d数据为检验样本,可以看出,采用均值 控制图法可直观地描述伸缩缝位移的异常变化,并 且通过多样本点的假设检验可以有效降低误判的 概率. 为了检验这种方法应用于伸缩缝状态评估的 效果,将2.4节的悬索桥的后48个样本所代表的 UCL CL LCL O 15O t/d 图7伸缩缝正常状态下的均值控制图 环境归一化的位移值施加一定的变化,用以模拟伸 缩缝损伤对位移的影响: d = 一eD (7) 式中, 为检验样本的位移实测值;d 为伸缩缝 损伤的位移模拟值; 表示损伤水平,这里取为 1.0%;D为伸缩缝位移的年变化幅度,由2.1节可 知南北端分别为53.6和51.7 cm.采用式(6)计算 位移日平均值和年平均值的差值作为控制指标,图 8给出了伸缩缝损伤状态下均值控制图.从图8中 可以看出,当伸缩缝损伤引起伸缩缝位移发生 1.0%的变化时,后48个样本明显地趋近下控制 线,且有部分样本已超出控制范围,可以判定伸缩 缝发生损伤.根据上述分析,采用均值控制图法可 以识别由损伤引起的悬索桥伸缩缝位移1.O%的 异常变化.— \ 一 一O O O O 4 2 O 2 4 UCL CL LCL O 150 t/d 图8伸缩缝损伤状态下的均值控制图 4 结论 1)温度和交通荷载与伸缩缝位移具有显著的 相关性,而这2种环境条件对位移变化的影响规律 则相反,分别为“温度高位移大、温度低位移小”和 “荷载大位移小、荷载小位移大”. 2)风速和位移的相关性十分微弱,风速对伸 缩缝位移的影响可以忽略不计. 3)采用均值控制图法可以识别由损伤引起的 悬索桥伸缩缝位移1.O%的异常变化,识别效果较 文献[6]的方法有了大幅提高. 以上研究表明,本文所提出的方法能够有效地 消除环境条件对伸缩缝位移变化的影响,可以应用 于大跨桥梁结构伸缩缝的长期在线监测和状态评 估. 参考文献(References) [1]Chen Wai—Fah,Duan Lian.Bridge engineering hand- book[M].Boca Raton:CRC Press,2000. 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