论文总字数：41060字

摘 要

大跨径桥梁作为现代跨海大桥的一种重要形式，近些年来投入运营和建设的数量日益增加，因此它们在长期服役过程中的安全状况受到越来越多的关注。与陆地桥梁运营过程中存在的问题略有不同的是，跨海大桥在正常运营过程中，桥墩的冲刷对其安全运营也有着至关重要的影响。目前常见的桥梁冲刷检测方法有以下几种: 基于监测设备的桥梁基础冲刷状态监测方法、基于试验的桥梁基础冲刷状态预测方法、基于数学/数值的桥梁基础冲刷状态模拟技术、基于振动响应的冲刷监测。

本文基于概率统计理论识别桥梁结构时变模态频率异常变化的方法，对基于振动响应的冲刷监测方法进行评估与应用。针对桥梁冲刷下基准模态往往表现为时频特征，即使消除干扰影响后的频率仍存在较为明显的随机波动性，很难从模态频率的实测值直接判断基准模态是否发生变化。为此，本设计拟从异常变化概率检测的角度，来研究桥梁冲刷下基准模态长期变化的辨识方法，对大跨度桥梁冲刷状态的动力检测方法进行评估与应用。

关键词：基础冲刷，动力响应，时频分析，概率统计，异常值识别

Abstract

As an important form of modern sea-crossing bridges, the number of long-span bridges put into operation and construction have been increasing in recent years, so the safety situation in the long-term service has attracted more and more attention. Different from the problems existing in the operation of land bridges, the scouring of piers has a vital impact on the safe operation of sea-crossing bridges in the normal operation process. At present, the common methods of bridge scour detection are as follows: monitoring method of bridge foundation scour based on monitoring equipment, prediction method of bridge foundation scour based on test, simulation technology of bridge foundation scour based on mathematics/numerical value, and scour monitoring based on vibration response.

In this paper, based on probability and statistics theory, the method of identifying abnormal changes of time-varying modal frequencies of bridge structures is used to evaluate and apply the method of scour monitoring based on vibration response. In view of the time-frequency characteristics of the reference modes under bridge scouring, even after eliminating the interference, the frequency still has obvious random fluctuation, and it is difficult to directly judge whether the reference modes have changed from the measured values of the modal frequencies. Therefore, from the perspective of abnormal change probability detection, this design intends to study the identification method of long-term change of reference mode under bridge scour, and to evaluate and apply the dynamic detection method of long-span bridge scour state.

KEY WORDS: Foundation Scouring, Dynamic Response, Time-Frequency Analysis, Probability Statistics, Outlier Identification

目 录

摘要 III

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.1.1跨海大桥的发展 1

1.1.2桥墩冲刷原因与危害 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1基于监测设备的桥梁基础冲刷状态监测方法 2

1.2.2基于数学/数值的桥梁基础冲刷状态模拟技术 3

1.2.3基于振动响应的冲刷监测 4

1.3桥梁冲刷动力评估 5

1.4研究内容 5

1.5技术路线 6

第二章 基于时频分析的桥梁模态参数识别 7

2.1引言 7

2.2原始监测数据及功率谱分析 7

2.2.1原始检测数据 7

2.2.2功率谱分析 11

2.3基于检测数据的时变模态参数识别 13

2.4本章小结 13

第三章 基于概率理论的桥梁模态频率异常变化识别 15

3.1引言 15

3.2基于BIRCH的聚类划分方法 15

3.3核密度估计方法 15

3.3.1直方图法 16

3.3.2核密度估计法 16

3.4概率模型与正态化 18

3.5基于正常状态的均值控制图 19

3.6未知状态的频率检测 19

3.7本章小结 20

第四章 以金塘大桥有限元模型为例分析 21

4.1引言 21

4.2金塘大桥主要技术指标 21

4.3 ANSYS有限元建模 24

4.3.1主梁有限元建模 24

4.3.2主塔有限元建模 26

4.3.3斜拉索有限元建模 29

4.3.4桩基础有限元建模 29

4.3.5横隔板及二期质量有限元建模 32

4.3.6全桥有限元 32

4.4 桩—土效应边界模拟 33

4.4.1桩-土效应弹簧单元建模 33

4.4.2土体特性分析方法 34

4.4.3弹簧单元刚度系数确定 36

4.5斜拉索索力施加 39

4.6模态分析 42

4.7动力时程分析 45

4.8本章小结 51

第五章 以安庆长江大桥实测值为例分析 52

5.1引言 52

5.2原始数据分析 52

5.3冲刷识别检测 53

5.3.1缺少有效的健康月份监测数据识别方法 56

5.3.2具备有效的健康月份监测数据处理方法 59

5.4本章小结 66

第六章 结论与展望 68

6.1本文主要工作与结论 68

6.2展望 69

致 谢 70

参考文献 71

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1跨海大桥的发展

跨海大桥是指跨越海湾和海域的桥梁。随着我国经济实力的不断增强以及沿海区域经济发展的需求，一批批跨海大桥在我国沿海地区开工建设。我国跨海大桥的代表性作品有港珠澳跨海大桥、杭州湾跨海大桥以及青岛胶州湾跨海大桥等，这些世界级跨海大桥的修建彰显了我国桥梁建设的强大实力，它们代表着我国桥梁建设的最高水平。目前一系列通向海岛和跨越海湾的大桥已经在我国沿海地区大规模建造，如青岛海湾大桥、杭州湾跨海大桥、舟山大陆连岛工程以及在建的港珠澳大桥等。