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基于GPS技术的悬索桥结构健康监测研究与实践

作　者: 张强
导　师: 王泽根
学　校: 西南石油大学
专　业: 结构工程
关键词: 结构健康监测 GPS 悬索桥 ANSYS 数据处理滤波器安全评价
分类号: U446
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,随着大型桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化,桥梁在建造和使用过程中,由于受到环境、车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用,以及材料自身性能的不断退化,导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修,轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命,重则导致桥梁突然破坏和倒塌。为了把握桥梁结构在营运期间的承载能力、营运状态、安全性和耐久性,迫切的需要对桥梁进行结构健康监测研究。基于GPS技术的桥梁结构健康监测,既有效地降低了监测成本,又极大地提高了作业的灵活性,通过对桥梁结构状态的监测与评估,为大桥在特殊气候,特殊交通条件下或运营状况严重异常时触发预警信号,并为桥梁的养护、维修与管理决策,验证桥梁设计理论,改进桥梁设计方法和相应的规范标准提供科学的依据。本文首先分析了大型桥梁结构健康监测的研究现状以及GPS同传统方法的优缺点比较。并对GPS应用于桥梁健康监测中的一些关键技术,如定位原理、坐标转换、数据处理等内容进行概括总结。然后,分析了在环境激励下位移变化较明显的悬索桥结构和受力特征,并在此基础上介绍了清水河悬索桥的工程概况以及ANSYS模态分析得到的清水河悬索桥的振动频率参数。接着,提出了GPS技术应用于桥梁跨度相对较小的清水河悬索桥结构健康监测中的基本框架、设计方法和具体实现的技术。同时采用了FlexPro8数据后处理软件对得到的试验数据进行研究和分析,并对基于窗函数法的FIR滤波器和基于巴特沃斯法的IIR滤波器的性能和滤波效果等进行了比较分析。进而根据所得到的自振频率和ANSYS的理论结果进行了比较,并对清水河悬索桥进行了安全评价分析。最后,对全文进行了总结,并提出了进一步研究工作的方向。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-16
  1.1 大型桥梁结构健康监测的重要意义  7-8
  1.2 大型桥梁结构健康监测的研究概况  8-9
    1.2.1 结构健康监测的基本概念  8
    1.2.2 大型桥梁结构健康监测现状  8-9
  1.3 基于GPS的大型桥梁结构健康监测  9-14
    1.3.1 GPS简介  9-11
    1.3.2 传统方法和GPS的优缺点比较  11-12
    1.3.3 国内外GPS桥梁结构健康监测研究现状  12-14
  1.4 研究内容  14-15
  1.5 本文的结构框架  15-16
第2章 GPS应用于桥梁健康监测的关键技术  16-26
  2.1 GPS定位原理  16-20
    2.1.1 GPS静态相对定位  17
    2.1.2 GPS动态相对定位  17-18
    2.1.3 动态相对定位中的RTK技术的主要原理  18-20
  2.2 坐标转换  20-24
    2.2.1 大地坐标系统向高斯平面直角坐标系统的转化  23
    2.2.2 高斯平面直角坐标向桥梁局部坐标的转化  23-24
  2.3 数据处理  24
  2.4 本章小结  24-26
第3章悬索桥的结构与受力特征  26-34
  3.1 自锚式悬索桥的基本构造  26-27
  3.2 自锚式悬索桥的构造特性  27-28
  3.3 自锚式悬索桥的受力特点  28-29
  3.4 自锚式悬索桥的非线性分析  29-30
  3.5 悬索桥的动力分析  30-31
  3.6 清水河悬索桥及其模态参数  31-33
    3.6.1 清水河悬索桥的工程概况  31-32
    3.6.2 清水河悬索桥的模态参数  32-33
  3.7 本章小结  33-34
第4章清水河悬索桥在环境激励下的动态监测  34-44
  4.1 监测方案  34
    4.1.1 激振方法  34
    4.1.2 采样间隔  34
  4.2 仪器设备  34-37
  4.3 GPS传感器的布置  37-38
  4.4 试验过程  38-43
  4.5 本章小结  43-44
第5章 GPS数据处理及结果分析  44-68
  5.1 数据后处理  44-66
    5.1.1 数据处理软件Flexpro8简介  44-45
    5.1.2 位移时程曲线  45-51
    5.1.3 数据的过滤及滤波原理  51-59
    5.1.4 快速傅立叶变换法FFT进行频谱分析  59-64
    5.1.5 FIR和IIR滤波功能分析比较  64-66
  5.2 结构模态分析  66
  5.3 安全评价  66-67
  5.4 本章小结  67-68
第6章结论与展望  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 进一步工作的方向  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  74

基于GPS技术的悬索桥结构健康监测研究与实践

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