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冻土区桥梁桩基监测预警系统研究成果

【摘要】:在桥梁结构的模型试验、现场监测和长期健康监测过程中,有关测试传感器在结构中的优化布置问题已越来越受到人们的重视。清华大学土木系在利用遗传算法寻找加速度传感器最优布点中,把测取的变形能最大作为遗传进化的适应值。插值拟合准则传感器优化配置的目的是为了利用有限测点的响应来获得未测点位的响应。

传感器是结构进行健康检测、监测的源头,其性能直接决定了检测、监测方法的优劣。传感器要求具有高度感受结构力学状态的能力,能够将应变、位移、加速度等测量参数直接转换成采集信号输出,它担负着感知外界环境变化、收集外界信息的任务,它必须具有足够的可靠性、敏感性和较高的反应速度,以便能迅速、准确地反应外部信息[9]。先进测试技术的发展要求传感元件具有尺寸要小而薄,不影响结构的外形和原结构材料易融合,对原结构材料的影响较小。传感的覆盖面要广,频率响应范围应和工程结构上其他电气设备兼容、受外界干扰小,在结构的使用温度范围内可以正常工作等特性。

通常传感器的选择主要考虑以下几个方面的因素:传感器类型的选择以及传感器的精度、分辨率、频响及动态范围、传感器布设位置、其周围动态环境的影响程度以及测量噪声的影响程度等。大型桥梁健康检测、监测过程中应用到的传感器主要用来测量加速度、速度、位移及应变等参数,由于桥梁结构尺寸庞大,同时自振频率往往非常低,结构的响应水平通常也非常小,因此,要求传感器必须具有频响范围广、低频响应好、测量范围大的特点。传统的传感器有压电式力传感器、加速度传感器、阻抗传感器、应变片等,它们已广泛应用于各类工程结构的实测中,这里不再赘述(目前新兴的传感器主要有疲劳寿命丝、压电材料传感器、碳纤维半导体材料)。在桥梁结构的模型试验、现场监测和长期健康监测过程中,有关测试传感器在结构中的优化布置问题已越来越受到人们的重视。为了确保监测系统的测试和辨识结果的准确性和正确性,进行传感器的最优数目选择和测点定位优化设计是必要的[10]

基于随机振动的大跨度桥梁的健康监测技术,其有效性首先建立在模态试验的好坏上,而传感器的类型、数量和安装位置对试验结果起着决定性的作用。由于客观因素的制约,传感器的数量总是有限的,如何安排有限数量的传感器从噪声信号中实现对结构状态改变的最优采集,是大跨度桥梁的健康监测的关键。振动模态试验的传感器布设问题最早是在轨道航天器的动态控制与系统识别中得到广泛研究的。最为人们熟知的方法是有效独立加法,此方法采用信息阵使感兴趣的模态向量尽可能地与线性无关,从而在试验数据中采集到最大的模态反应信息。模型缩减法也是一种常用的测点选择方法,通过刚度静力缩减或质量动力缩减子矩阵构成的转换矩阵,可以把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位置。如果选择恰当,静力缩减将能较好地保留低阶振型,而动力缩减则将可以较好地保存高阶振型。硒陌等则认为使测取的运动能矩阵最优即是选择传感器的一种良好手段。清华大学土木系在利用遗传算法寻找加速度传感器最优布点中,把测取的变形能最大作为遗传进化的适应值。同济大学桥梁工程系在他人工作的基础上,认为选择的测点位置应使所有模态向量的内积具有较小的余弦值,并探讨了这种思路在结构健康监测中的应用。总之,大型桥梁健康监测系统传感器的布设方案通常依据以下优化设计准则[11]

图8-4 传感器的布设方案优化设计准则

(1)传递误差最小准则

该准则的要点是通过连续对传感器网络进行调整,逐步消除那些对目标参量的独立性贡献最小的自由度,以使目标的空间分辨率达到最佳程度,直至传递目标的误差达到最小值,从而使配置的传感器网络所获得的目标识别误差最小。

(2)模型缩减准则

在模型缩减中通常将结构的自由度区分为主要自由度和次要自由度,缩减以后的模型应保留主要自由度而去掉次要自由度。将传感器布设于这些主要自由度对应的位置上,测得的结构效应或响应能较好地反应结构的动、静力特性。

(3)插值拟合准则

传感器优化配置的目的是为了利用有限测点的响应来获得未测点位的响应。这时可采用插值拟合的方法获得目标点未测点位的响应,为了得到最佳效果,可采用插值拟合的误差最小原则来配置传感器。

(4)模态应变能准则

其基本思想是具有较大模态应变能的自由度上响应也比较大,将传感器配置于这些自由度所对应的位置上将有利于参数的识别。