基于确定条件的桥梁结构破坏鉴别及状态评价的模糊计算方式探微

第 1 章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义
桥梁结构是现代交通系统的重要节点工程，在日常生活中发挥着重要的作用，其原有设计通常能够保证结构具备较长时间的使用寿命。然而，随着经济的高速发展，在役桥梁所承受的外部荷载不断增加，外部恶劣环境导致材料不断老化，结构不可避免的发生局部或整体的损伤，从而导致桥梁承载能力不足。上述状况的发生严重影响交通系统的畅通运行，甚至引起桥梁垮塌事故，造成人民的生命财产损失[1-8]。表 1.1列出了世界部分桥梁垮塌事故及其原因分析。
桥梁垮塌事故频发暴露了部分桥梁结构在设计、养护、维修等方面存在着严重问题，造成了恶劣的社会影响。因此，对在役桥梁结构进行健康监测，实时掌握结构的安全性和耐久性状态，对保障结构的安全运营具有重要的现实意义。
桥梁结构健康监测是通过在桥梁关键部位安装传感器，对其应力、应变、频率、振型等数据进行实时采集，通过数据的传输、存储和处理，实现桥梁结构健康状态的可靠性评价，为结构的运营、养护和维修提供数据支撑[9, 10]。其典型组成框图如图 1.1所示。
从图 1.1 可以看出，桥梁结构损伤识别及状态评估是健康监测系统的重要组成部分。桥梁结构的损伤识别是融合信息科学、材料科学、试验测试、数理统计、计算智能等技术为一体的交叉应用学科[11]。一般来说，桥梁的损伤识别包含四个层次，即损伤辨识（第一层次）、损伤位置识别（第二层次）、损伤程度识别（第三层次）以及桥梁剩余承载力及寿命预测（第四层次）[12]。本文主要针对前三个层次开展研究，旨在探寻损伤识别的理论计算方法，高效并科学的实现结构损伤判定，用以指导结构维修，从而减缓结构自身损伤的进一步累积，提高桥梁的服役寿命。
桥梁结构状态评估是利用健康监测系统测试获取的静力、动力、无损检测以及其它信息数据，对桥梁结构的承载能力、自身缺陷以及服役状态进行综合判定和评估[13]。该评估结果是桥梁养护维修管理部门确定桥梁技术状态、选择养护维修及加固措施、制定相应维修加固计划的重要依据[13-18]。根据交通部及建设部现行规范的相关技术要求，桥梁结构的状态评估通常分为安全性、耐久性和适用性三个方面[19-21]。本文针对桥梁结构的安全性和耐久性状态评估展开研究，其耐久性状态便于指导结构的养护维修策略比选，而安全性状态评估结果则为结构加固提供理论和数据支撑。
在桥梁损伤识别中，信号噪声、基准模型误差、测试信息不完备、外界环境等不确定性因素容易掩盖桥梁损伤引起的结构力学响应变化，从而得到错误的损伤识别结果[22-25]。在桥梁状态评估中，目前一般通过专家评分确定评价指标体系的权重，该权重容易受到人为主观因素的影响，从而失去其公平性和合理性[25-29]。因此，如何剔除桥梁

第 2 章 参数误差及信息不完备状况下桥梁结构损伤识别的模糊贴近度方法

2.1 引言
纵观损伤识别的国内外研究现状，频率及振型类参数是最常用的损伤识别指标，这两种方法各有其优缺点。频率类参数易于测取，与测量位置无关，测试误差较小。但频率对损伤不敏感，考虑到常用的简支梁桥为对称结构，频率指标对该类结构对称位置的损伤也无法准确识别。频率类指标的上述缺点可以通过振型类参数弥补，该类参数对损伤敏感，可以用于识别结构损伤位置。学者 Lee 等[24]通过理论研究发现，振型比值及差值对结构基准模型的误差比较小，是一种良好的损伤识别指标。

6.1 结论

桥梁结构作为交通运输系统的重要组成部分，其健康状态对于确保整个系统的安全运营是至关重要的。然而，在外界环境及车辆荷载等因素作用下，桥梁结构的使用性能降低，垮塌事故屡见报道。因此，对桥梁的损伤状况以及安全性、耐久性状态进行及时辨识，对于保证在役桥梁的安全可靠工作，具有重要的经济和社会价值。
在实际工程结构损伤识别及状态评估中，不可避免的会受到不确定性因素的影响，这些因素的存在阻碍了现有损伤识别及状态评估技术的实际应用进程，降低了损伤识别及评估结果的可靠性。模糊计算方法能够系统有效的利用语言形式的专家经验，具备较强的处理不确定性问题的能力，在实际工程中得到日益广泛的应用。因此，本文针对参数误差及信息缺失、温度、基准模型信息缺失以及人为主观因素等不确定性状况，基于模糊贴近度、模糊神经网络、模糊推理、模糊聚类等模糊计算方法，提出了具备较强鲁棒性的损伤识别及状态评估技术。本文得到的主要研究结论如下：
1. 针对噪声及测试自由度不完整等引起的参数误差及信息不完备状况，以改进的振型比值为损伤识别参数，提出了桥梁结构损伤识别的模糊贴近度方法。多片简支梁桥的数值模拟结果表明 FNBDI 方法是一个良好的损伤辨识系统，单位置损伤识别工况下，测试样本的抗噪水平达到 20%，不完备信息状况下的损