基于车辆大数据与贝叶斯理论的中小桥梁结构识别研究

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近几十年来,随着中国经济的发展,人们对交通运输的需求与日俱增,不断增加的交通运输负载对现有桥梁结构的安全性能造成了挑战。与此同时,大多数现役中小型桥梁结构没有条件安装昂贵的桥梁健康监测设施,建立一种可靠、高效且经济的方式对此类桥梁结构进行快速检测评估十分必要。桥梁影响线作为反映桥梁结构性能的重要指标,在桥梁性能评估、桥梁损伤识别、桥梁动态称重等方面有着广泛的应用。对于缺乏桥梁动态称重系统支持的中小型桥梁结构而言,常用的桥梁影响线识别方法往往具有需要封闭交通、传感器维护成本高、识别结果时效性短等缺点。因此本文针对如今中小型桥梁结构健康监测的发展现状和数字化、智慧化桥梁的发展趋势,提出了一种基于车辆大数据和贝叶斯理论的非接触式中小型桥梁结构识别方法。本文在以下几个方面展开了相关研究:(1)理论方面,本文将单位影响线叠加法与贝叶斯参数识别算法相结合,建立了基于的贝叶斯理论的桥梁影响线反演模型。在已知车辆数据库中车辆参数分布和大量桥梁动态响应数据和的情况下,利用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC,Markov Chain Monte Carlo)方法得到桥梁影响线纵坐标值的后验分布,通过连接桥梁影响线后验分布的最大后验估计值,最终得到桥梁的最大后验估计影响线(MAPIL,Maximum A posteriori Estimation Influence Line);另一方面根据桥梁影响线矩阵、轴重向量、桥梁动态响应向量间的多元线性关系,建立了基于贝叶斯理论的桥梁动态称重模型。在已知桥梁影响线后验分布和桥梁动态响应数据的基础上,对车辆轴重的后验分布进行反演,并以轴重后验分布的最大后验估计值(MAP,Maximum A posteriori Estimation)作为轴重的识别结果;最后基于桥梁影响线后验分布和车辆轴重后验分布可以相互反演计算的性质,提出了影响线与轴重的复合反演机制,以提高桥梁影响线识别结果和轴重识别结果的精度。(2)数值模拟方面,本文根据已有的车辆数据库中的车辆分类方法和车辆参数大数据,建立了车辆类型与总重分布、轴荷分配系数的映射关系;为了通过数值模拟获取多工况下的大量桥梁动态响应数据,采用梁格法在ANASYS中建立了梁板式桥梁的有限元模型,采用集中质量-弹簧阻尼-悬挂质量-弹簧阻尼的综合形式在MATLAB中建立了半车数值模型;通过车桥耦合数值模型生成的大量随机工况数据,验证了所提桥梁影响线识别方法的可行性、准确性;通过改变车桥耦合数值模型中的车辆行驶速度、车辆类型、工况数量等变量,探究了这些变量对桥梁影响线后验分布以及MAPIL识别结果的影响;利用车桥耦合数值算例,验证了贝叶斯桥梁动态称重方法、影响线与轴重的复合反演机制的可行性和有效性。(3)试验方面,本文采用单跨简支T型梁桥和三轴货车缩尺模型试验平台进行了简化的车桥耦合试验。通过激光位移计和应变片获取桥梁模型的动态响应数据,通过改变模型货车上负载的位置和大小统计了模型货车关键参数的分布信息。采用所提出的基于贝叶斯理论的桥梁影响线识别方法,得到了桥梁模型的位移、应变影响线的后验分布以及对应的MAPIL,识别结果在可接受的误差范围内;采用所提出的基于贝叶斯理论的桥梁动态称重方法对不同车速和载重工况下车辆模型的轴重和总重进行了识别,验证了所提方法的可行性。
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