處于正常運(yùn)營(yíng)期間的橋梁,由于動(dòng)靜荷載的作用、材料特性隨時(shí)間的變化以及橋梁所處環(huán)境的影響等多種因素,將不可避免地產(chǎn)生損傷,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體功能的削弱。橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是橋梁在正常使用過(guò)程中捕捉橋梁信息、判斷橋梁健康特征的重要手段,構(gòu)建完善的系統(tǒng)能夠及時(shí)反映橋梁出現(xiàn)的問(wèn)題,保證人民群眾的人身安全,避免經(jīng)濟(jì)的大量損失,其中傳感器子系統(tǒng)和診斷與預(yù)警子系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)重要組成部分。如何在保證采集信息完整的前提下節(jié)約傳感器子系統(tǒng)的造價(jià),優(yōu)化傳感器的采用數(shù)量和布置位置,并通過(guò)該系統(tǒng)采集的信息識(shí)別橋梁產(chǎn)生的損傷是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。本文首先針對(duì)大跨橋梁的傳感器優(yōu)化布置問(wèn)題,結(jié)合遺傳算法和嵌套分區(qū)算法提出了適用于解域龐大、離散變量多、極值密集問(wèn)題的嵌套層迭遺傳算法,并建立了算法的完整數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。利用兩個(gè)基準(zhǔn)函數(shù)測(cè)試對(duì)比了新型算法和傳統(tǒng)遺傳算法的優(yōu)化能力,得到新型算法優(yōu)化能力更為突出的結(jié)論。然后基于烏海黃河特大矮塔斜拉橋的工程實(shí)例,建立了ANSYS有限元實(shí)體模型,并進(jìn)行了相應(yīng)的動(dòng)力模態(tài)分析。依據(jù)該類橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和動(dòng)力特性,確定橋梁的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。最后根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象分別采用相應(yīng)的優(yōu)化布置準(zhǔn)則,利用嵌套層迭遺傳算法對(duì)該工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,得到了較為全面的傳感器布置方案。為了推廣新型算法對(duì)不同問(wèn)題的適用性,本文依據(jù)依托工程的簡(jiǎn)化模型數(shù)據(jù)計(jì)算分析了新型算法所包含參數(shù)的敏感性,給出了相應(yīng)參數(shù)的取值范圍,為同類問(wèn)題的計(jì)算提供了參考。在采用了相應(yīng)的傳感器布置方案后,本文依據(jù)其中加速度傳感器的布置方案,測(cè)試了近年研究較多的曲率模態(tài)法、柔度曲率差法和均勻荷載面法三種損傷識(shí)別指標(biāo)。將矮塔斜拉橋按照受力和外形特點(diǎn)分區(qū)后,采用仿真手段模擬理論上單點(diǎn)與兩點(diǎn)損傷的發(fā)生,分多個(gè)工況研究了指標(biāo)的識(shí)別性。大量數(shù)據(jù)測(cè)試表明,理論上,基于傳感器布置方案下的曲率模態(tài)法無(wú)法進(jìn)行損傷識(shí)別,結(jié)合柔度曲率差法和均勻荷載面法能夠?qū)Υ蟛糠謸p傷進(jìn)行粗略定位,但是無(wú)法精確識(shí)別損傷的發(fā)生位置和程度,對(duì)于該類問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。本文研究?jī)?nèi)容為內(nèi)蒙古交通科技項(xiàng)目——烏海黃河特大橋健康監(jiān)測(cè)與安全評(píng)估系統(tǒng)研究項(xiàng)目的一部分,研究成果可為該項(xiàng)目依托工程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提供依據(jù)。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U446;TP212
【部分圖文】：

（1）傳感器系統(tǒng)，主要內(nèi)容為選擇合適的傳感器種類，并合理地布設(shè)在結(jié)構(gòu)中。本文即針對(duì)這一部分進(jìn)行研究[6]。（2）數(shù)據(jù)的采集與相應(yīng)的分析系統(tǒng)，主要構(gòu)成為具有高運(yùn)算能力的計(jì)算機(jī)[7]。（3）監(jiān)控指揮中心，可以發(fā)現(xiàn)傳感器所采集數(shù)據(jù)中的異樣并發(fā)出預(yù)警。（4）實(shí)現(xiàn)診斷功能的各種程序，需要能夠進(jìn)行損傷位置、程度識(shí)別的相應(yīng)指標(biāo)與方法，本文也針對(duì)該類問(wèn)題進(jìn)行了一定的研究。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的過(guò)程如下：由布置于結(jié)構(gòu)中的各類傳感器組成的系統(tǒng)采集橋梁實(shí)時(shí)信號(hào)，經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸至監(jiān)控中心，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟硬件及程序進(jìn)行處理和判斷，進(jìn)而評(píng)估出橋梁的健康狀態(tài)。若結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常，監(jiān)控中心可以提前發(fā)出預(yù)警，并診斷故障發(fā)生的原因，最終人為治理，保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常運(yùn)行[8]。

.1 算法的編碼與初始化和 GA 算法類似，在進(jìn)行運(yùn)算前需要首先確定算法的編碼方式，在橋梁化布置中，建議采用二進(jìn)制或十進(jìn)制進(jìn)行編碼，計(jì)算迅速直觀；對(duì)于也可使用除十進(jìn)制編碼外的其他浮點(diǎn)數(shù)編碼和符號(hào)編碼方式。這里就優(yōu)化布置為例，詳細(xì)介紹 NSGA 算法的編碼過(guò)程。對(duì)欲布置傳感器的結(jié)構(gòu)，為了避免傳感器布置相鄰而產(chǎn)生信息冗余的情假設(shè)將一定數(shù)目的傳感器均分到全橋長(zhǎng)度范圍內(nèi)，即不同的傳感器存位置取值。因此本算法采用十進(jìn)制的編碼方式能夠簡(jiǎn)便地處理全橋范的位置。若假設(shè)全橋長(zhǎng)度 L，可布置傳感器的點(diǎn)位數(shù)為 n，傳感器數(shù)目為法編碼及初始化步驟如下：步驟 1：將全橋可布置點(diǎn)位編號(hào)為 1~n，每個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)于橋梁模型中的，即存在 1 個(gè)位置坐標(biāo) ( ,0,0), ∈ {1,2,…, }；步驟 2：將全橋的長(zhǎng)度 L 按照布置傳感器的個(gè)數(shù)等分，產(chǎn)生傳感器布置 2-2，每個(gè)區(qū)段內(nèi)存在不同數(shù)量的可布置點(diǎn)位，每個(gè)區(qū)段的長(zhǎng)為： =

圖 2-3 Sphere 函數(shù)Fig. 2-3 Sphere function該函數(shù)在含有兩個(gè)自變量情況下的曲面圖。該函數(shù)為 {0,0,…,0}處取得函數(shù)的唯一最小值 = 0。，選取函數(shù)自變量為 10 個(gè)，取值范圍為 ∈ [ 100個(gè)變量能夠取得 200 個(gè)值，那么函數(shù)的解空間大小為A 的對(duì)比優(yōu)化方法，兩者的參數(shù)設(shè)定如表 2-1：表 2-1 參數(shù)設(shè)定Tab. 2-1 Parameters setting交叉率 變異率 種群大小 染0.7 0.015 40 0.7 0.015 40 數(shù)則設(shè)為 5000 和 10000 兩種用于計(jì)算。經(jīng)過(guò)數(shù)次計(jì)表 2-2 GA 計(jì)算結(jié)果
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本文編號(hào)：2894525