摘要

大跨径桥梁支撑着国家运输系统的命脉，作为穿过水道和其他难以逾越的地形的生命线，并在环境、社会和在各自区域经济中起到重要的作用。但在桥梁跨越能力不断提升的同时，运营使用过程中的安全稳定问题也越来越受到人们的重视。环境因素、材料老化以及交通量的增长，都会对桥梁结构造成了不同程度的损伤。因此研究出有效的结构健康监测系统、损伤识别的方法，具有重要的社会经济价值。

对大跨度桥梁最常见的结构健康监测的方法是一种基于环境振动的方法（VBSHM）。研究表明，温度是影响桥梁结构模态频率的主要环境因素，正常的温度变化可以掩盖较大的结构损伤，对结构的损伤识别和模型修正造成误差，甚至错误。

• 制作了长为400cm，宽为20cm，高为40cm的混凝土等截面梁试件和长为400cm，宽为60cm，高为15cm的混凝土等截面板试件，并在梁试件和板试件上布置了加速度传感器，用锤击法作为外部环境激励获得其固有频率。布置了温度传感器获取内部温度数据，通过自动数据采集仪实时监测温度变化，同时我们设置了一个用于测量气温的普通温度计。
• 利用MATLAB软件构建了温度与固有频率的相关关系散点图，寻找试件的模态频率与温度之间的关系，然后通过数学模型来拟合温度与固有频率的相关关系。本论文选择的模型有一元线性模型，多元线性多项式模型，一元二次多项式模型，多元二次多项式模型。并使用MATLAB中的“System Identification”工具箱通过ARX线性模型来拟合温度和频率之间的相关关系。通过决定系数和均方根误差RMSE来评价各个模型的拟合程度，从而得出最有模拟方案。
• 研究了神经网络算法的基本原理，并利用BP（反向传播）神经网络来构建温度与试件固有频率的回归关系。使用Matlab软件中的Neural Net Fitting工具箱的三种算法分别对温度和频率构建了多元回归关系。

第1章 绪论

1.1．研究背景和意义

大跨径桥梁支撑着国家运输系统的命脉，作为穿过水道和其他难以逾越的地形的生命线，并在环境、社会和在各自区域经济中起到重要的作用。许多国外的的大跨径桥都建于20世纪上半叶，因此它们都接近最初的设计使用寿命，在我们国家，也有很多桥梁有同样的命运。因此，采用积极的方法来维护和更新这些重要遗产正变得越来越重要。对大跨度桥梁最常见的结构健康监测的方法是一种基于环境振动的方法（VBSHM）。这种方法主要通过跟踪结构的模态参数，在过去的几十年中，虽然它已经得到了显着的关注，但它仍有许多被广泛认同的缺点。第一，随时跟踪模态参数的变化的根本原因是十分困难的。其次，相对不敏感的模态参数对局部结构变化来说是具有挑战性的，因为这样的变化可能会被不同的环境条件所屏蔽。额外的缺点包括被假定为宽带状白噪声的未知类型的输入，模态理论假设的预测（线性的，恒定的等），以及对重要数据处理和存储的输入的要求。直接用温度和温度引起的反应对大跨度桥梁结构鉴定和结构健康监测，越来越受到重视。基于温度的结构健康监测的逻辑优势包括大的信噪比，低的采样率要求，和廉价的传感器、数据采集、数据存储、数据传输成本。结论就是，基于温度的结构健康监测似乎有潜力克服向大跨径桥梁业主展示收益成本比的吸引力的挑战。多年以来大多数研究人员都把注意力放在了结构损伤对它的振动特性的影响，但没有确定由于环境条件和其他不确定条件导致的结构振动特性的正常变化。如果这些不确定因素对结构振动性能的影响大于或与结构损伤对其振动特性的影响可以比较，那么结构损伤不能可靠地识别。

1.2.温度对桥梁模态的影响

1.2.1.温度对模态频率的影响

现有研究结果表明温度是影响桥梁模态频率的重要环境因素，常规的温度

变化可以掩盖较大的结构损伤，对结构的损伤识别产生误差甚至错误。桥梁结构模态频率在很大程度会受到环境条件的影响，如湿度、温度以及风力的影响等。

Xia[1]等人通过对一个已建成的放置在实验室外的钢筋混凝土板已经进行周期性的振动测试接近两年。作者发现频率和温度及湿度有着强烈的负相关关系，作者建立了模态频率和环境因素之间的线性回归模型。定量分析表明材料的弹性模量的变化是模态特性变化的主要原因。作者认为温度、湿度等环境条件的变化对结构振动特性存在着影响。其他研究人员报告在一天的时间当中，由于温度变化模态频率会显著变化。因此，有必要区分由于环境变化还是结构损伤导致的模态特性变化以及量化环境对基于振动的结构健康监测和损伤识别的影响。环境条件以一个复杂的方式影响结构振动特性；该论文只研究频率、振型和阻尼比的变化对于变化的温度和湿度。

Xia[2]等人在另一篇发表的论文中阐述前人在关于气温或结构表面温度与结构振动特性之间的关系取得了研究成果，但对于整个结构来说，温度的分布是不均匀的，单从气温或结构表面温度难以有效地捕捉结构响应与温度之间的关系。该论文旨在探讨结构振动特性随结构的非均匀温度场的变化。作者用热力学模型来估计在不同时刻结构不同组件的温度。由于材料的力学性能是随着温度变化的，该结构可以被视为一个具有不同的杨氏模量的元素组成的复合结构。因此，结构的固有频率可以用有限元法计算。该程序在不同的时刻重复，因而对于这些时刻的温度便可以获得。作者为验证他的假设制作了个简支钢筋混凝土板。板的不同的点的温度在一天内被持续的记录，与此同时为提取它的模态特性进行了一系列强制的模态测试。另一方面，作者建立了有限元模型以进行瞬态热分析和预测板的温度分布，它与对应的测量值很好的匹配。把所有组件温度数据和材料的热性能输入到模型计算出的频率与测量的频率也可以很好地匹配。此外，作者观察到测得的固有频率与结构温度但不是气温或表面温度之间有着良好的线性关系。

Peter Moser[3]等人提出几个非线性模型来表征被确定的固有频率和测量的温度之间的关系。最终的模型通过使用一些列独立的测量数据来验证。最终，作为温度的函数的对于确定的固有频率的置信区间被估计出来。观察到的极端值与基于可信度预测的极端值的比值可作为损伤检测的指标。作者提出典型的损伤场景包括在结构系统的某些部分的刚度损失和相应的模态参数的变化。温度对固有频率的影响已经通过ARX模型被精确地模拟。ARX模型的家族可以通过将当前的输出和过去的输入和输出联系起来从而考虑关系的动态变化。当结构的动态特性取决于温度的变化率或趋势的变化率时，这会理想的表现它的动态的特性。作者提到Peeters和De Roeck观察到Z24桥的温度与固有频率之间存在着双线性关系，在接近冻结点有一个重大的变化。在温度经常低于零度的气候，环境模型必须对于零上和零下同样精确。选择温度变化和模型结构的过程已经被强调，并且一个精确地模型被选择。这个模型未来将用于建立可能筛选损伤的数据的置信区间。该模型已经通过用两种不同的数据分割策略选择的一系列独立的测量数据验证。

Cornwell P, Farrar CR, Doebling SW, Sohn [5]等人发现阿拉莫萨峡谷大桥的前三阶固有频率在24小时内随着桥面板温度大约变化22℃的同时变化了5%。

Desjardins[6]等人研究了模态数据，并收集了联邦大桥六个月以上的主梁平均温度。

Song W, Dyke SJ.[7]识别了Bill Emerson Memorial桥的前两阶固有频率以一个线性的方式单调的随着温度的上升而下降，而模态振型没有表现出一个明确的变化。

Fu and DeWolf[9]发现一座两跨的钢桁架桥由于支座的变化而引起的频率的变化。

Liu and DeWolf[10]发现一座曲线混凝土箱梁桥的频率在一年内随着温度变化了39 °C而最大变化6%。

Breccolotti[11]等人对一座桥通过热分析进行了温度影响的数值分析。

Macdonald and Daniell[12]研究了Second Severn Crossing斜拉桥由于风荷载，温度变化及交通荷载对固有频率变化的影响。

Balmes[14]等人进行了一个室内的实验，发现由于构件不同的热膨胀导致的轴向应力使频率发生明显变化。

李爱群[15]等人对润扬大桥斜拉桥进行研究，发现其在环境激励下模态频率在24小时内了的变化约1%~4%，其日平均值在１年之内可以发生大约1%~2.5%的变化。由于环境温度变化产生的频率的变化存在大于损伤所产生的频率变化的可能性。

1.2.2. 温度对模态振型的影响

   模态振型与结构的模态频率相比包括了更多与结构状态有关的信息,所以其对损伤位置和损伤程度的灵敏度较高。然后采用不同的声振方法对振型进行区别,根据MAC的计算结果来确定结构损伤的位置。

Xia[1]等人通过模态保证准则来量化模态振型，MAC值与温度没有明显的关系。温度和湿度在整个结构中以一个统一的方式影响结构，因此他们对振型的影响微不足道。较低阶次的振型可以更准确地测量，扭转振型很难从该测试中提取。